Arheje (Archaea): definicija, lastnosti, ekstremofili in habitat

Arheje (Archaea): definicija, lastnosti, ekstremofili in habitat — enocelične ekstremofile, evolucija, biokemija in vloge v okolju.

Arheje (ali Archea) so skupina enoceličnih organizmov. Ime izvira iz grškega αρχαία, "stari". Predstavljajo eno od glavnih večjih delitev živih organizmov in imajo samostojno evolucijsko zgodovino.

Osnovna definicija in pomen

Arheje so enocelični mikroorganizmi, pogosto zelo majhni in preproste zgradbe, vendar biokemijsko in genetsko zelo različni od bakterij in evkariontov. Prvotno so jih pogosto odkrivali v ekstremnih okoljih (ekstremofili), vendar je danes znano, da so razširjeni tudi v običajnejših okoljih — v tleh, morski vodi, sedimentih in celo kot del človeškega mikrobioma.

Glavne lastnosti arhej

• So prokarionti: nimajo tipičnega evkariontskega jedra in membrane omejenih organelov, vendar je njihova notranja biokemija bližje evkariontom kot bakterijam.
• Celična membrana: sestavljena iz lipidov, ki imajo eterične vezi med glicerolom in izoprenoidnimi verigami (ne maščobnih kislin z esterskimi vezmi, kot pri bakterijah/evkariontih). Nekatere arheje tvorijo tudi enoplastne (monolayer) membrane, kar poveča stabilnost pri visokih temperaturah.
• Celična stena: večina ne vsebuje peptidoglikana; namesto tega imajo različne tipe sten (npr. pseudomurein, proteinske S-plasti ali druge polisaharidno/proteinske strukture).
• Transkripcija in translacija: njihov RNA-polimerazni in izročilni sistem ter nekateri proteini so bolj podobni evkariontskim kot bakterijskim (to je bila ena od glavnih ugotovitev, ki je vodila do razdelitve na domene).
• Gibalni organeli: mnoge arheje imajo strukture, imenovane archaella (prej arhealne flagelle), ki so strukturirano, sestavljeno in delujejo drugače kot bakteriogene flagelle.

Metabolizem in ekološke vloge

Arheje kažejo zelo raznolik metabolizem. Nekatere so avtotrofi (kemolitotrofi ali fototrofne redke primerke), druge heterotrofi. Posebne in pomembne metabolične zmožnosti vključujejo:

• Metanogeneza: proces tvorbe metana, značilen za nekatere arheje (metanogeni), ki igra ključno vlogo v anaerobnih okoljih, močvirjih in prebavilih prežvekovalcev.
• Oblikovanje energije iz anorganskih spojin: na primer oksidacija amoniaka (amonija-oksidirajoče arheje), oksidacija vodika, žveplovih spojin in podobno — pomembno v kroženju elementov.
• Arheje so často temeljni člen prehranskih verig v okoljih brez svetlobe (npr. hidrotermalni vrelci), kjer s kemosintezo podpirajo celotne ekosisteme.

Ekstremofili in habitate

Čeprav so arheje pogosto povezane z ekstremnimi pogoji, so sedaj znane tudi iz običajnih habitata. Mnoge lahko preživijo in uspevajo pri zelo visokih (nad 80 °C) ali zelo nizkih temperaturah, v zelo slani, kisli ali alkalni vodi. Najpogostejši tipi ekstremofili med arhejami so:

• Termofilne in hipertermofilne vrste: v gejzirjih, vročih vrelcih in hidrotermalnih odtokih (gejzirjih, črnih kadilcih).
• Halofilne arheje: v slanih jezerih, slanih bazenih in soliščih; nekateri ostajajo aktivni pri izredno visokih koncentracijah soli.
• Acidofilne in alkalofilne: uspevajo v zelo niskem ali zelo visokem pH.

Nekatere arheje so bile najdene tudi v drugih neobičajnih mestih, kot so naftne vrtine, vroči vrelci v globokem oceanu in večina jih je v tleh ter oceanski vodi — na primer nedavne raziskave so odkrile arheje, ki se prehranjujejo z amoniakom, v zemlji in morski vodi. Poleg tega nekateri rodovi (npr. metanogeni) živijo kot del človeškega in živalskega mikrobioma.

Evolucija in sistematika

V preteklosti so arheje uvrščali skupaj z bakterijami med prokarionte (ali kraljestvo Monera) in jih imenovali arhebakterije, kar pa ne odraža njihovega posebnega evolucijskega porekla. Na podlagi primerjav 16S/23S rRNA (delo Carl Woese in sodelavcev v 1970-ih) so arheje postale posebej priznana domena v sistemu treh domen, skupaj z bakterijami in evkarionti. Ta delitev izpostavlja, da so arheje samostojna evolucijska veja z lastnimi karakteristikami.

Taksonomske razvrstitve znotraj arhej se razvijajo z novimi metagenomskimi podatki; tradicionalne večje skupine so bile npr. Euryarchaeota in Crenarchaeota, medtem ko nove filumske enote (npr. Thaumarchaeota, Korarchaeota, Nanoarchaeota) izhajajo iz sodobnih raziskav.

Razmnoževanje in genetska izmenjava

Arheje se najpogosteje razmnožujejo z enostavnimi načini, kot so delitev (binary fission), pupanjem ali fragmentacijo. Genetska izmenjava in horizontalni prenos genov sta pogosta, pri čemer se uporabljajo mehanizmi izmenjave DNA, veziklov, konjugativnih sistemov in virusnih vektorjev. To prispeva k hitri prilagoditvi na okoljske spremembe.

Metode preučevanja

Velik del današnjega znanja o arhejah izhaja iz molekularnih metod, predvsem sekvenciranja 16S rRNA in metagenomike, saj je mnogo vrst težko kultivirati v laboratoriju. Sodobne tehnike (visokozmogljivo sekvenciranje, metatranskriptomika, proteomika) omogočajo odkrivanje ekološke vloge in metabolnih potencialov arhej tudi v nepopularnih vzorcih.

Pomen za človeka in tehnologijo

• Ekološko: arheje so pomembne v kroženju ogljika, dušika in žvepla; metanogeni vplivajo na emisije metana; amonija-oksidirajoče arheje pomembno prispevajo k nitrifikaciji.
• Biotehnološko: arhealne ekstremoenzime (enzimi, stabilni pri visokih temperaturah ali ekstremnem pH/soli) so uporabni v industriji, biokemiji in molekularnih tehnikah (npr. termostabilne DNA-polimeraze iz nekaterih arhej se uporabljajo v PCR-variacijah).
• Astrobiologija: sposobnost arhej preživeti v ekstremnih pogojih naredi študije arhej pomembne pri iskanju možnosti življenja na drugih planetih in lunaah.

Zaključek

Arheje so ločena, biokemično posebna in ekološko pomembna skupina enoceličnih organizmov. Čeprav so bile dolgo spregledane ali napačno umeščene z bakterijami, sodobne molekularne metode razkrivajo njihovo raznolikost, vlogo v globalnih biogeokemičnih ciklih in potencial za tehnološke aplikacije. V prihodnosti bo nadaljnje raziskovanje, zlasti s pomočjo metagenomike, verjetno razkrilo še veliko neznanih arhealnih vrst in funkcij.

Vprašanja in odgovori

V: Kako se imenuje skupina enoceličnih organizmov?

V: Od kod izvira to ime?

V: Ali so arheje prokarionti ali evkarionti?

V: V kakšnih okoljih so bile prvotno odkrite?

V: Ali se zdaj domneva, da so arheje razširjene v bolj povprečnih razmerah?

V: Pri kakšnih temperaturah lahko preživijo nekatere arheje?

V: Kako so arheje razvrščene v sistem treh domen?

Išči po črki