Курсовой проект - Екстремальні гіпертермофільні археї

Подождите немного. Документ загружается.

наприклад на острові Vulcano в Італії, де температура коливається від 80 до

105 °C [28].

Найбільш вражаючим біотопом для гіпертермофілів слугують

глибоководні гідротермальні джерела – так звані "чорні курці", (рисунок 6)

де багаті мінералами води нагріваються до температур близько 400 °C [23].

Рисунок 6 -- Гідротермальні підводні джерела, названі „чорними

курцями”, що випускають перегріті чорні води в холодні шари океанічних

глибин. Струмені дійсно нагадують хмари диму[37].

Хоча самі ці гарячі рідини непридатні до життя, зони пористих

відкладень гірських мінералів довкола такого джерела характеризуються

більш „помірною” температурою, створюючи оптимальні умови для

розвитку деяких груп морських гіпертермофілів. На різних скелях „курців”

екстремальні археї дійсно процвітають (наприклад, кількість живих

архебактерій роду Methanopyrus в одному грамі проби гірських порід, взятої

з донних відкладень „чорних курців” Серединно-Атлантичного підводного

хребта, становила 10

клітин)[37]. Глибоководні морські джерела

розміщуються уздовж підводних тектонічних зон перелому (наприклад,

сайти “ТАG“ і “ Зміїна нора” („Snake Pit”), розташовані в тому ж Серединно-

Атлантичному підводному хребті на глибині близько 4000 метрів)[23].

Ще одним гідротермальним біотопом гіпертермофілів є діючі підводні

вулкани. Неподалік від Таїті знайдено величезний глибинний вулкан

Макдональд (Macdonald Seamount -- 28°58.7‘ S, 140°15.5‘ W), вершина якого

розташована приблизно на 40 метрів нижче морської поверхні. Зразки порід,

узяті протягом активної фази підводного виверження з активного кратера

містили високі концентрації життєздатних гіпертермофільних архей (10

різних клітин на 1 літр проби) [36].

Добре дослідженим є особливий (не схожий на біотоп гарячих

сульфідних джерел) гідротермальний біотоп, що називається спредінгом

(рисунок 7). В таких місцях океанського дна на поверхню виходить гаряча

(350-400°С) вода, яка підіймається з великих (1000-1500 м) глибин земної

кори. Верхня, приблизно півкілометрова товща порід якої складена пухкими

застиглими лавами, їх пористість - від 10% в нижній частині до 38% поблизу

поверхні дна[27]. Це дає змогу морській воді температурою близько 2°С

вільно входити в ці пори, циркулювати в них, нагріваючись підземним

теплом до 5-30°С, і знову виходити на поверхню у вигляді "муарових

просочень"[6].

Американський дослідник Дж. Баросс давно пропагує ідею, що ці

підземні порожнини можуть бути заселені власними мікроорганізмами,

відсутніми в гарячих сульфідних джерелах, і не виключено, що умови їх

існування близькі до тих, в яких зародилася життя на Землі. Нещодавно його

колега М.Саміт довів цю гіпотезу, вивчивши 13 ізолятів (штамів бактерій),

виділених з гарячих (330-400°С) виливів і з сусідніх (в 10-20 і в 200 м)

прохолодних (12-14°С) просочень [8].

Рисунок 7 -- Схематичний розріз через океанську кору в центрі

спредінга. Змішування гідротермального флюїда і морської води під

поверхнею дна відбувається в зоні екструзії. Графік змін пористості з

глибиною складений за результатами гравіметричних вимірювань в

свердловині № 5048 Програми глибинного буріння океанського дна [38].

Проби бактерій були взяті підводним апаратом "Алвін" в Тихому

океані на хребті Хуан-де-Фука південно-західніше Британської Колумбії

(Канада) на глибині 2260 метрів. Були досліджені фізіологічні властивості

мікроорганізмів, структура гена, який кодує 16S рРНК і міжгенної ділянки

16S-23S рРНК, після чого результати порівняли з генетичною структурою

більш ніж 20 відомих архебактерій з різних гідротермальної районів

Світового океану. Всі 13 штамів виявилися гіпертермофільними

(витримували температури 90-95°С, оптимальна - близько 80°С)

гетеротрофними архебактеріями[38]. Вони відносились до родів

Thermococcus і Pyrococcus , які використовують окислення сульфідів або

сірки як джерело енергії, а білки (або суміші амінокислот) - як джерело

органічного вуглецю .За генетичною структурою бактерії розділили на

чотири групи. Дві з них, дуже близькі, складалися з трьох штамів кожна,

включали лише бактерії з прохолодних просочень і були подібні відповідно

до T.hydrothermalis і T.siculi. Третя об'єднувала п'ять штамів з гарячих

виливів; ці бактерії утворили самостійну групу в роді Thermococcus .В

останній групі виявилися два штами з роду Pyrococcus: один з гарячого,

інший з прохолодного виливу[8].

Відмінності між архебактеріями з гарячих виливів та прохолодних

порожнин полягали в тому, що "гарячі" штами були пристосовані до більш

широкого діапазону коливань температури і солоності, ніж "прохолодні",

могли жити при більш високій концентрації важких металів, особливо цинку,

і мали більш активні протеази, завдяки чому, можливо, живуть при більш

високій концентрації розчинених органічнічних речовини .Отже, "гарячі" та

"холодні" архебактерії пристосовані до життя в різних умовах і тому не

змішуються в межах вищезгаданогог біотопу [9].

Ще більш вражають результати глибоководного буріння біля берегів

Ньюфаундленда, які показали, що багате мікробних життя присутнє аж до

глибини 1626 м під рівнем морського дна, де при температурі 60-100°C

мешкають різноманітні гіпертермофільні архебактеріі[4]. Основу їх

метаболізму складає метан і більш важкі вуглеводні, які утворюються в

земних надрах при високих температурах. Проби були взяті на глибинах від

860 до 1626 м під рівнем морського дна. Пробурена товща складалась з

донних відкладень, що формувались протягом більше ніж 100 млн років (вік

осадових порід в самій нижній пробі становить 111 млн років, в самій

верхній - 46 млн років). Температура на різних глибинах не могла бути

виміряна безпосередньо і тому обчислювалась на основі непрямих ознак зі

значною похибкою. Для самої глибокої проби (1626 м) була визначена

температура 60-100 ° C. У всіх дев'яти пробах виявилася велика кількість

живих мікробів (зрозуміло, були вжиті всі можливі заходи, щоб уникнути

забруднень)[6]. Присутність живих мікроорганізмів була підтверджена

декількома незалежними методами. По-перше, їх просто спостерігали під

мікроскопом, причому багато клітин були застануті в момент поділу. По-

друге, проби забарвлювали особливим барвником, який змушував живі

клітини прокаріот світитися зеленим світлом, а мертві - червоним. По-третє, з

кожної проби виділялася ДНК, що піддавалися потім детальному аналізу.

Кількість мікробів в пробах коливалося навколо середнього значення 1,5 млн

клітин на см

- це типова щільність мікроорганізмів для глибоких шарів

морських відкладень[1]. Приблизно 60% клітин після фарбування засвітилися

зеленим, тобто були живими. Найактивніше процес поділу клітин проходив в

самій нижній пробі, де була максимальна концентрація вуглеводнів, а також

максимальна температура ( рисунок 7). Аналіз ДНК дозволив приблизно

оцінити таксономічну різноманітність мешканців земних надр. Вчені

зосередилися на археях, оскільки саме ця група прокаріот звичайно

переважає в глибинах морських відкладень [11]. Вдалося ідентифікувати

близько півтора десятка різновидів гіпертермофільних архебактерій. У самій

нижній пробі переважали археї, що відносяться до добре вивчених родів

Pyrococcus і Thermococcus. Ці мікроби можуть рости при екстремально

високих температурах (до 100-103 ° С).Вони є гетеротрофами, тобто

живляться готовими органічними сполуками. Не виключено, що в надрах

Землі їм необхідні високомолекулярні вуглеводні, які утворюються

абіогенним шляхом. В інших пробах відзначено велику кількість архей, що

здійснюють бескисневе окислення метану [6].

Але в цілому екологічний та таксономічний «портрет» мікробних

спільнот таких біотопів поки вдалося промалювати лише в самих загальних

рисах[13]. Цілком можливо, що там присутні й інші різновиди прокаріот, які

ще тільки належить виявити і вивчити.

Коментар до рисунка: По вертикальній осі - глибина (в метрах під поверхнею

морського дна). Збоку зліва чорними крапками у вигляді діаграми показана

концентрація метану в пробах. Трикутники і суцільна чорна лінія

відображають відношення маси вуглеводнів до загальної маси органічного

вуглецю. Лінія з квадратними крапками - відсоток клітин, що діляться. Лінія

з круглими крапками - число клітин на см

. Горизонтальною пунктирною

лінією показано положення вулканічного шару ,що не дозволяє вуглеводням

просочуватися наверх. Справа вказані переважні різновиди архебактерій

(ANME – археї, що здійснюють анаеробне окислення метану), а також

мінімальні і максимальні температури для чотирьох проб.

Рисунок 8 -- Інформативні графіки, що демонструють результати досліджень

групи вчених із Франції та Великобританії, проведені 2008 року [6].

4. МОРФОЛОГІЧНІ, ФІЗІОЛОГІЧНІ І КУЛЬТУРАЛЬНІ ОСОБЛИВОЧТІ

ГІПЕРТЕРМОФІЛЬНИХ АРХЕЙ

4.1. Морфологічні особливості

Відповідно до філогенетичної різноманітності, гіпертермофільні археї

демонструють широкі спектри клітинної морфології (таблиця 2). Клітини

можуть варіювати від регулярних до нерегулярних кокків, інколи з

округлими або клиноподібними обрисами, від нерегулярних дископодібних

клітин до регулярних паличок, або паличок зі сферами на їх кінцях (мають

вигляд клюшок для гольфу )[2]. Як і для інших прокаріот, в чистій культурі

евріархеот Methanothermus, Methanococcus, і Archaeoglobus міститься

приблизно рівна кількість паличкоподібних або коккоподібних клітин з

невеликою варіацією їхніх розмірів (таблиця 2)[23]. Те ж вірне для

сфероподібних Sulfolobus і Acidianus з царства Кренархеота. Дуже особливий

випадок - Thermoplasma, термоацидофільні гетеротрофні плеоморфні

архебактерії, у яких не виявлено клітинної стінки. Натомість такі клітини

надзвичайно гнучкі і пластичні, вирізняються надзвичайно нерегулярною

формою і великою варіацією у формі і розмірі. Найменші з них, що

спостерігались, - дуже маленькі кокки, близько 0.2 мкм в діаметрі (дивись

таб.2). Крім того, зрідка зустрічаються клітини витягнутої, грушоподібної,

гвинтоподібної, квадратної та інших форм. Вони можуть розвиватися

самостійно чи збиратися в колонії та формувати нитки. Діаметри клітин

знаходяться в межах 0.1 -- 15 мкм, а довжина – до 200 мкм[39].

Таблиця 2.1 - Морфологія і розміри клітин гіпертермофільних архей[23].

Пояснення: long – довжина, wide – ширина, dia – діаметр.

Несподівані зміни розмірів клітин можна спостерігати в чистих

культурах гіпертермофільних представників Thermococcales,

Desulfurococcales і Thermoproteales, які представляють найглибші та

найкоротші філогенетичні гілки серед архей. В культурах Thermococcus і

Pyrococcus, як правило, домінують диплококи нерегулярної сферичної форми

від 5 до 2 мкм в діаметрі. Тим не менш, на початку логарифмічної фази

росту, дуже крихітні яйцеподібні клітини збираються і надалі розвиваються в

колоніях до 20 осіб. Іноді, відносно великі клітини розташовуються у

вигляді замкнених кілець, які вміщують кілька менших. Функції цих камер

досі нез’ясовані[14] . Для представників родів Thermoproteus і Thermofilum

характерна форма клітин у вигляді прямокутних жорстких стержнів, якім

властиві незвичні варіації в довжину від 1 до 100 мкм. Як правило, протягом

експоненціальної фази росту, на поверхні невеликих клітин близько 0.3 -- 0.5

мкм в діаметрі ближче до одного з кінців починають формуватися вирости

під кутом 135°. Аналогічні за розміром сфери можна побачити в культурі і у

вільному стані і цей процес може являти собою незвичайний спосіб

розмноження клітин[23].Крім того, клітини Thermoproteus і Thermofilum

здатні розмножуватися шляхом регулярного поділу клітин. Штами

Thermofilum експонують значно тонші паличкоподібні клітини, ніж

Thermoproteus. Як правило, клітини Thermofilum можуть мати в діаметрі

тільки 0.15 -- 0.17 мкм, і, отже, навряд чи можуть бути виявлені за

допомогою світлового мікроскопа, у той час як клітини Thermoproteus мають

форму тонких стержнів, близько 0.4 мм у діаметрі (таблицю 2)[40].

Культури представників гетеротрофних родів Staphylothermus і

Desulfurococcus представлені сферичними клітинами з відмінностями в

діаметрі між 0.5 та 15 мкм. Таким чином, розмір їх клітин коливається більш

ніж на чотири порядки. При низьких концентраціях поживних речовин

морфологія Staphylothermus зсувається в основному в бік гігантських клітин,

приблизно від 10 до 15 мкм в діаметрі. Виділення поверхневих білків

представниками роду Staphylothermus (і, можливо, близьких до них

Desulfurococcus) сприяє агрегації таких клітин у незвичайні волокнисті

структури високої термостабільності [41].

Клітини архей роду Thermodiscus складаються з плоских

нерегулярних дисків, вельми змінним діаметром від 0.2 і 3 мкм і шириною

близько 0.1 -- 0.2 мкм. Іноді - капсулоподібні структури 0.01мкм в діаметрі і

до 15 мм у довжину, з'єднані попарно контактуючими поверхнями двох

клітин. В електронному мікроскопі спостерігається невелика кількість дисків

менш ніж 0.2 мм в діаметрі[33].

Клітини архей роду Pyrodictium складаються з плоских, нерегулярних

дисків від 0.3 до 2.5 мкм в діаметрі і в ширину можуть бути до 0.3 мкм.

Примітно, що Pyrodictium ніколи не росте в суспензіях, а лише в каламутних

рідинах з частинками діаметром в кілька сантиметрів. Такі частинки

слугують унікальною матрицею для системи полих трубочок і канальців з

вбудованими бактеріальними клітинами. Трубочки приблизно до 40 мкм у

довжину і діаметром 0.026 мкм, складаються з глікопротеїнових субодиниць

спіральної організації. Трубочки з’єднують клітини через периплазматичні

простори одна з одною, створюючи величезну сітку волокнистих структур

неправильної форми[43]. Такі системи Pyrodictium можуть розглядатися як

дуже примітивні багатоклітинні прокаріотичні організми. Завдяки

характерній системі трубочок і канальців, біомаси культур Pyrodictium

сягають великих значень. Дослідження п'яти різних структурних генів, що

відповідають за формування таких структур, засвідчили про відсутність

гомологій серед генів інших мікроорганізмів, в тому числі серед

гіпертермофільних[28].

Переваги утворення таких величезних систем серед Pyrodictium досі

нез’ясовані, але вже висунута одна робоча гіпотеза. Згідно з нею, враховуючи

фізичну унікальність природних гарячих біотопів і значне розсіяння клітин в

характерних волокнистих структурах, група німецьких вчених на чолі з

К.Стеттером припустила можливість використання гіпертермофільними

археями роду Pyrodictium теплової енергії термальних джерел. Адже

Pyrodictium ростуть в пористих стінках глибоководних "чорних курців",

кратери яких сягають ширини декількох сантиметрів. Зсередини, стіни

сильно нагріваються від 300 до 400°C гарячими флюїдами, одночасно

охолоджуючись ззовні оточуючими холодними водами ( 3°C).Таким чином,

в таких джерелах виникають значні градієнти температур, в яких волокнисті

структури Pyrodictium розташовуються таким чином, що мають і гарячий , і

холодний кінець. Цікаво, що хоча цей мікроорганізм росте лише при

температурах до 110°C, його багатоклітинні системи стійкі до 140°C[43]. За

аналогією термопари, електрони можуть переноситись між холодними та

гарячими кінцями волокнистих структур Pyrodictium, що може призвести до

генерації мембранного потенціалу і, нарешті, до синтезу АТФ в клітинах. В

даний час розробляється ряд експериментів, щоб спробувати довести цю

досить перспективну гіпотезу.

Найменші розміри клітин, що спостерігаються саме серед

гіпертермофілів, можуть бути пояснені великими перевагами при