Archaebacteria: Det tredje domenet i livet savnet av biologer i flere tiår


Redaktørens merknad: Mikrobiologen Carl R. Woese, mottaker av Crafoord-prisen, Leeuwenhoek-medaljen og en National Medal of Science, døde 30. desember 2012, i en alder av 84 år. Denne historien ble opprinnelig publisert i juni 1981-utgaven av . Tidlige naturlige filosoffer hevdet at livet på jorden er fundamentalt dikotom: alle levende ting er enten dyr eller planter. Nå

Redaktørens merknad: Mikrobiologen Carl R. Woese, mottaker av Crafoord-prisen, Leeuwenhoek-medaljen og en National Medal of Science, døde 30. desember 2012, i en alder av 84 år. Denne historien ble opprinnelig publisert i juni 1981-utgaven av .

Tidlige naturlige filosoffer hevdet at livet på jorden er fundamentalt dikotom: alle levende ting er enten dyr eller planter. Når mikroorganismer ble oppdaget, ble de delt på samme måte. De store og motile ble ansett som dyr, og de som ikke syntes å bevege seg, inkludert bakteriene, ble ansett å være planter. Som forståelse for den mikroskopiske verden avansert ble det klart at en enkel todelt klassifisering ikke ville være tilstrekkelig, og så ble det innført ytterligere kategorier: sopp, protozoer og bakterier. I siste omgang tok en ny forenkling seg. Det virket som om livet kunne være dikotomt, men på et dypere nivå, nemlig i levende celles struktur. Alle celler syntes å tilhøre den ene eller den andre av to grupper: eukaryotene, som er celler med en velformet kjerne, og prokaryotene, som ikke har en slik kjerne. Flercellulære planter og dyr er eukaryotiske og det er så mange unicellulære organismer. De eneste prokaryotene er bakteriene (inkludert cyanobakteriene, som tidligere ble kalt blågrønne alger).

I de siste årene har mine kolleger og jeg blitt ledet til å foreslå en fundamental revisjon av dette bildet. Blant bakteriene har vi funnet en gruppe organismer som ikke ser ut til å tilhøre noen av de grunnleggende kategoriene. De organismer vi har studert er prokaryotiske i den forstand at de ikke har en kjerne, og faktisk utover ser de ut som vanlige bakterier. I deres biokjemi, og i strukturen av visse store molekyler, er de imidlertid like forskjellige fra andre prokaryoter som de er fra eukaryoter. Phylogenetisk er de verken prokaryoter eller eukaryoter. De utgjør et nytt "primærriket", med en helt annen status i historien og livets naturlige orden.

Vi har kalt disse organismene archaebacteria. Navnet gjenspeiler en uprøvd formodning om deres evolusjonære status. De fylogenetiske bevisene tyder på at archaebacteria er minst like gamle som de andre hovedgruppene. Videre har noen av archaebacteriene en form for metabolisme som virker spesielt godt egnet til de forhold som antas å ha hersket i tidlig livshistorie på jorden. Derfor synes det mulig at den nyeste gruppen av organismer faktisk er den eldste.

Den evolusjonære posten

Jorden er fire og en halv milliard år gammel, og på grunnlag av den makroskopiske fossilregistreringen ser det ut til å ha vært bebodd i mindre enn en syvende av den tiden: hele evolusjonær utviklingen fra de eldgamle marine formene til mennesket spenner bare 600 millioner år. De fossile imprints av encellede organismer for små til å bli sett med det blotte øye, fortell en annen historie. Spesielt mikrofossiler av bakterier er rikelig i sedimenter i alle aldre; De har blitt funnet i de eldste intakte sedimentære bergarter som er kjent, 3, 5 milliarder år gamle innskudd i Australia. Over en enorm tidsfrist, der ingen høyere former eksisterte, oppstod bakteriene og utstrålte for å danne et bredt utvalg av typer som bor i mange økologiske nisjer. Denne alderen av mikroorganismer er den viktigste perioden i evolusjonær historie, ikke bare på grunn av dens varighet, men også på grunn av arten av evolusjonære hendelsene som fant sted i løpet av de milliarder årene.

Inntil nylig var det imidlertid nesten ingenting kjent om alder av mikroorganismer. Bakterie mikrofossiler er ikke veldig informative strukturer; lite kan utledes fra påtrykket av en liten sfære eller stang. De viktigste paleontologiske indikasjonene på naturen til de tidlige bakteriene er ikke kommet fra de enkelte mikrofossiler, men fra makroskopiske strukturer kalt stromatolitter, som antas å være fossiliserte bakteriematter: kolonier av bakterier innebygd med mineraler. I dag dannes slike strukturer hovedsakelig av flere typer fotosyntetiske bakterier, vanligvis cyanobakteriene. Stromatolites fossiliserte ligner nylig de gamle i en slik grad at det virker helt rimelig å tro at de gamle strukturer også ble laget av fotosyntetiske bakterier. Derfor må minst noen av de gamle bakteriene ha vært fotosyntesere. Bortsett fra det faktum kunne nesten ingenting oppfattes med sikkerhet om de tidligste mikroorganismer. Hele evolusjonerende treet til bakteriene forblir uklart, og det gjorde også trærens grunnlag for de høyere livsformer.

Ved rekonstruksjon av tidligevolusjonære hendelser er biologer imidlertid ikke begrenset til den geologiske fossilregistreringen. Selve cellen beholder bevis for sin fortid i aminosyresekvensene av dets proteiner og i nukleotidsekvensene av dets nukleinsyrer: DNA og RNA. Denne levende platen er potensielt langt rikere og mer omfattende enn den fossile platen, og den kommer tilbake i tid utover de eldste fossilene, til den perioden da den felles forfader for hele livet eksisterte.

For å kunne lese den biokjemiske registreringen var det nødvendig å utvikle en teknologi for å bestemme (i hvert fall delvis) sekvensen av et gen eller av RNA eller proteinprodukt kodet av et gen. For proteiner har dette vært mulig i ca. 25 år, men direkte sekvensering av DNA og RNA har vært mulig bare for de siste fem årene eller så. Den nye teknologien for sekvensering av nukleinsyrer bør gjøre det mulig for biologene å avdekke i relativt kort rekkefølge langt mer om livets historie enn det som hadde vært antatt mulig. Det var ved å bruke teknikker for sekvensering til det århundre gamle problemet med de naturlige forholdene mellom bakterier som mine kolleger og jeg anerkjente archaebacteria som en tredje form for liv.

Eukaryoter og prokaryoter

For å verdsette den spesielle statusen til archaebacteria er det nyttig å vurdere noen av de definerende egenskapene til eukaryoter og prokaryoter. Den eukaryote cellen er relativt stor: omtrent 10 mikrometer på en side. Den er omgitt av en doble membran, der en rekke strukturer kan skelnes, som selv er definert av membraner. Kjernen inneholder størstedelen av cellens genetiske materiale. Stangformede mitokondrier er stedet for cellulær respirasjon, som genererer cellens viktigste energimargin, adenosintrifosfat (ATP). I planteceller konverterer kloroplast, et annet stavformet legeme, lysets energi inn i ATPs kjemiske energi.

Andre spesialiserte strukturer som Golgi-apparatet (for sekresjon) og cilia (for motilitet) er ofte til stede. Mange eukaryote celler er laced med et membran system, endoplasmatisk retikulum, som gir en overflate hvor viktige reaksjoner som syntese av proteiner finner sted.

Den prokaryote cellen er svært forskjellig. Det er vanligvis langt mindre enn den eukaryote cellen: med en faktor på 10 i lineært mål og dermed med en faktor på 1000 i volum. Den prokaryote cellen er også omkranset av en dobbel membran, og i tillegg har den nesten alltid en stiv cellevegg. På den annen side er ingen av de interne strukturer som er karakteristiske for den eukaryote celle tilstede; Det finnes ingen mitokondrier eller kloroplaster, og det er selvfølgelig ingen membranbundet kjerne. Genomet - det totale komplementet av genetisk materiale - er begrenset til mellom 2000 og 3000 gener i en prokaryotisk celle; Det typiske eukaryotiske genomet er større med flere størrelsesordener.

Sondringen mellom eukaryoter og prokaryoter ble opprinnelig definert i form av subcellulære strukturer synlige med et mikroskop. På det nivået syntes alle cellene å være enten store og komplekse, og så eukaryotiske, eller små og enkle, og så prokaryote. Sondringen mellom de to celletyper ble til slutt båret til det mest grunnleggende biologiske nivået, nivået av molekyler. Her eukaryote og prokaryote celler har mange funksjoner til felles. For eksempel oversetter de genetisk informasjon til proteiner i henhold til samme genetiske kode. Selv hvor molekylære prosesser er de samme, er detaljene i de to formene forskjellige. De er enten karakteristisk eukaryotisk eller karakteristisk prokaryotisk. For eksempel har aminosyresekvensene av forskjellige enzymer en tendens til å være typisk prokaryotisk eller eukaryotisk. Alle disse forskjellene mellom grupper og likheter innenfor hver gruppe gjorde det til de fleste biologer mest hensiktsmessig at livets tre hadde to hovedstammer, en stammens prokaryotiske og den andre eukaryotiske.

Denne konklusjonen ble trukket for fort; Den estetiske appell av en dikotomi var for stor. Bare fordi det er to typer celle på mikroskopisk nivå, følger det ikke at det bare må være to typer på molekylivå.

Det evolusjonære forholdet mellom prokaryoter og eukaryoter er faktisk mer komplisert enn det som er nevnt ovenfor, ville indikere. To eukaryote organeller, mitokondrion og kloroplast, har hver sin egen DNA. Videre ligner pigmentene i kloroplastene (klorofyllene og karotenoiderne) de som finnes i cyanobakteriene. Både mitokondrier og kloroplaster er størrelsen på bakterier; deres apparat for å oversette genetisk informasjon til proteiner, er forskjellig fra eukaryotcelleens eget apparat og har et antall egenskaper som er felles med det for prokaryoter.

Disse fakta og andre har ført til ideen om at mitokondrier og kloroplaster kommer ned fra prokaryoter som kom fanget i en større celle og etablerte et endosymbiotisk forhold med den. Mitokondrionen antas å ha vært en respiratorisk bakterie og kloroplasten har vært en fotosyntetiserende relativ for cyanobakteriene. Denne formodningen, som i sin enkleste form er mer enn et århundre gammel, ble i hovedsak bevist i tilfelle av kloroplast ved demonstrasjonen at nukleotidsekvensen av en av typen RNA i organellen, ribosomal RNA, er spesielt relatert til ribosomal -RNA-sekvenser i cyanobakterier. Tilsvarende ser det ut som om den ribosomale RNA i mitokondrionen i planter er av bakterietypen. Således virker det som at minst to linjer av prokaryotisk nedstigning er representert i den eukaryote celle.

Den urkaryote

Logisk er det neste spørsmålet: Hvor kommer resten av eukaryotiske cellen fra? Hva var den opprinnelige vertscellen: urkaryoten? Det er generelt enighet om at hoveddelen av eukaryotiske celler (kjernen og cytoplasmatiske strukturer) representerer en egen nedstigningslinje. Den nøyaktige naturen til stamcellen er ikke klar. De fleste etterforskere har en tendens til å tro at den viktigste eukaryotiske linjen også oppsto blant de vanlige bakteriene. Tanken er at noen anaerob bakterier som spiser sin energi fra fermentering av næringsstoffer (i stedet for fra oksidasjon) på et eller annet tidspunkt skjedde å miste sin tøffe cellevegg. Organer av denne typen er kjent; de er mykoplasmaene. En mykoplasmastamme utviklet seg da til kapasitet til å engulfere andre organismer, en evne som beholdes av mange eukaryoter i dag. Blant de mange typer organismer som en slik mykoplasma kan ha inntatt, synes to å ha etablert et stabilt endosymbiotisk forhold med verten og å bli mitokondrion og kloroplast. På denne måten ble eukaryotcellen født. (Opprinnelsen til dens definerende karakteristikk, den membranbundne kjerne, er fortsatt langt fra klar.)

Denne oppfatningen er tilfredsstillende i noen henseender, men det unnlater å forklare de mange forskjellene mellom eukaryoter og prokaryoter. Spesielt teller det ikke for de forskjellige detaljer av molekylære prosesser eller for de store forskjellene i aminosyresekvensene av funksjonelle allierte analoge proteiner i de to typer celler. Det er ofte tatt for gitt at forskjellene bare er en konsekvens av de mange små endringene i cellesignal som ville være nødvendige for å passere fra den enkle prokaryotiske tilstand til den mer komplekse eukaryotiske. Det er tvilsomt at så mange endringer (forandringer i sammensetningen av nesten alle enzymer, for eksempel) med rimelighet kan redegjøres for på denne måten.

I hovedsak av denne grunn tror noen biologer at nedstigningslinjen som ga opphav til den formodede urkaryotiske arten, kan ha divergert fra den prokaryotiske linjen på et tidligere tidspunkt, før forfederen til bakteriene selv hadde oppstått. Urkaryoten kunne da ha utviklet seg uavhengig til en form som er sammenlignbar i kompleksitet med bakteriens. En slik antagelse vil i det minste gi mer tid til at forskjeller oppstår mellom prokaryoter og urkaryoten. Urkaryoten ville da representere en nedstigningslinje som er forskjellig fra prokaryotene, i samsvar med den grunnleggende fylogenetiske dikotomi.

Så stod det i begynnelsen av 1970-tallet. Filogenien til de høyere eukaryotene, som spenner over 500 millioner år, var rimelig godt forstått bortsett fra den all-viktige sammenføyningen av de viktigste eukaryotiske grener. Det var en klar, allment akseptert hypotese om hvordan eukaryotisk celle hadde utviklet seg. Test av hypotesen og svar på de gjenværende spørsmålene ligger imidlertid i de uutforskede fordypningene av bakteriel fylogeni, i en alder av mikroorganismer.

Genetisk sekvensering

Bakterier utgjør en verden av ekstraordinær variasjon, langt mer enn mikroskopet avslører. De økologiske nisjene som de er funnet langt overstiger i variasjon de som okkuperes av høyere livsformer. For århundre har mikrobiologer forsøkt forglemt å forstå de naturlige relasjonene mellom bakterier og å pålegge en rekke på den forvirrende mengden former, fysiologier og økologier. Variety blant bakterier er for det meste variasjon innen enkelhet, og så gir det lite informasjon om fylogenetiske relasjoner. I høyere organismer har øyet for eksempel utviklet seg en rekke ganger, men øyet er komplisert nok til at de uavhengig utviklede eksemplene skal kunne skelnes enkelt fra hverandre. Slike er generelt ikke tilfelle for bakteriens form og struktur; stenger, kuler og spiraler, som er typiske bakterieformer, er lett ankommet og har utviklet seg mange ganger. Det samme prinsippet gjelder bakteriell biokjemi. Selv om enkelte bakterielle egenskaper er gyldige fylogenetiske indikatorer, er det umulig å fortelle på forhånd hvilke som er og hvilke som ikke er.

Den enkleste måten cellen har en oversikt over er fortid, er når det gjelder genetiske sekvenser. Hvert gen som eksisterer i en celle i dag er en kopi av et gen som eksisterte for år siden. Det er ikke en eksakt kopi fordi mutasjoner har endret den opprinnelige genetiske sekvensen, men rester av den opprinnelige tilstanden vedvarer ofte. Det som gjør et gen et flott rekord av fortiden er dets enkelhet (det er et lineært array) og det faktum at genetisk-sekvensen "plass" er enorm, slik at over hele utviklingsperioden bare en liten del av de mulige genetiske sekvensene kan noen gang bli realisert. Derfor hvis to gener er lik over en strekk som omfatter et betydelig antall nukleotider, kan dette bare bety at de har en forfed til felles; slike genetisk relaterte molekyler sies å være homologe.

En genetisk sekvens gir tre typer evolusjonær informasjon. Sekvensen kan avsløre slektsrelasjoner, det kan måle evolusjonstid og det er en oversikt over forfedre egenskaper. I den utstrekning at to gener for samme funksjon i forskjellige organismer er relaterte, er organismer relatert. I hvilken utstrekning to slike sekvenser varierer, måler tiden siden organismene divergerte fra en felles forfader. Fra et omfattende sett av beslektede sekvenser kan man konstruere et fylogenetisk tre hvor grenpunktene måler (omtrentlig) de relative tider av bifurkasjonene. Til slutt gjør sammenligninger sønner blant et omfattende sett med homologe sekvenser det mulig å rekonstruere med noen nøyaktighet forskjellige forfedreversjoner av et gen.

Siden forholdet mellom et gen og dets produkt (enten et protein eller et av flere typer RNA-molekyler) generelt er en kolinær, er sekvensen av produktet vanligvis så nyttig for fylogenetiske studier som sekvensen av genet selv. Fordi inntil nylig kunne bare proteiner sekvenseres det var gjennom sammenligninger av proteiner som de første fylogenier basert på molekylær evolusjon ble konstruert. Sammenligninger av respiratorisk protein cytokrom c viser seg å være spesielt verdifulle for å bekrefte og forlenge det fylogenetiske treet til de høyere organismer. På den annen side er molekyler som cytokrom c ikke like effektive for å etablere forhold mellom bakterier. Slike proteiner er ikke universelt distribuert; de er ikke strengt konstant i funksjon, og er ikke helt sammenlignbare, og på grunn av den større antikken av bakterielle linjer kan forskjeller i rekkefølge være langt større blant bakterier enn de er blant eukaryoter. Disse faktorene gjør bakterielle fylogenier avledet fra proteinutviklingen i fullstendig og usikker.

Ribosomal RNA

Det finnes andre genprodukter som kan tjene som indikatorer for bakterielle relasjoner. Alle selvrepliserende enheter har nødvendigvis systemer for å opprettholde og forplante genetisk informasjon og for å omdanne den til aminosyrene som utgjør proteiner. De fleste av de store molekylene som er involvert i disse prosessene må spore opprinnelsen sin tilbake til de meget tidlige stadier i utviklingen av cellen; de oppstod sikkert før cellene ble komplekse nok til å bli kalt prokaryoter. Derfor ville man forvente at disse molekylene skulle ha de nødvendige egenskapene til en fylogenetisk markør.

De mest fornuftige første valgene blant slike molekyler er RNA-molekylene som er kompleksdannet med proteiner for å danne ribosomer. Det er på ribosomene at genetisk informasjon blir oversatt til proteiner. Det ribosomale RNA er lett å isolere i arbeidelige mengder fordi en typisk bakteriell celle har fra 10.000 til 20.000 ribosomer. Videre synes ribosomal-RNA-molekyler å ha vært konstant i funksjon over store evolusjonære avstander. Dette er viktig fordi funksjonelle endringer i et molekyl bringer med seg flere endringer i rekkefølge som gjør det vanskelig eller umulig å sammenligne en molekylær sekvens med en annen og derved utlede fylogenetiske relasjoner. Enda en annen fordel ved de ribosomale RNA er at i det minste noen deler av deres sekvenser forandres sakte nok til at den felles forfedtsekvens ikke blir fullstendig utryddet. Med andre ord gjør sekvensene det mulig å oppdage de dypeste fylogenetiske relasjonene.

Det er tre typer ribosomale RNA-molekyler. I bakterier er det "store" ribosomale RNA 23 S RNA ( S står for Svedberg-enheten, et mål for sedimenteringshastigheten i en ultracentrifuge og dermed et indirekte mål på molekylær størrelse); det er ca 2900 nukleotider langt. Den "små" en, betegnet 16S ribosomal RNA, er ca. 1, 540 nukleotider lang. En svært liten (5 S ) har bare 120 nukleotider. Størrelsene er like i eukaryotiske celler: 18 S, 25-28 S og 5 S. Man kan tro at den enkle karakteriseringen ville gjøre den lille 5 S RNA den mest egnede for fylogenetiske studier. Egentlig er det ikke så nøyaktig en indikator på fylogenetiske relasjoner som de større ribosomale RNA, hovedsakelig av statistiske årsaker. (5 S RNA viser noen ganger uregelmessige store forskjeller i rekkefølge fra en art til en annen.) Det 16 S ribosomale RNA er det valgte molekylet fordi 23 S molekylet er nesten dobbelt så stort og mer enn dobbelt så vanskelig å karakterisere.

RNA ordbøker

Ved Universitetet i Illinois i 1969 bestemte jeg meg for å undersøke bakterielle relasjoner ved å sammenligne sekvensene av de 16 S ribosomale RNAene i forskjellige arter. Det var ennå ikke mulig (som det er nå) å bestemme nukleotidsekvensen for hele molekylet. Teknologien eksisterte imidlertid for å sekvensere korte segmenter av molekylet. De enzymer som kalles ribonukleaser gir korte fragmenter av RNA ved å kutte en RNA-streng på bestemte steder. Hvert nukleotid av RNA består av et sukker som kalles ribose, en fosfatgruppe og en av fire nitrogenholdige baser: adenin ( A ), uracil ( U ), guanin ( G ) eller cytosin ( C ). Enzymet T-sub-1 ribonuklease skjærer en RNA-streng ved en bestemt binding på den ene siden av hvert nukleotid som inkorporerer en guaninbase. T-sub-1 enzymet fordøyer derfor en RNA "tekst" til korte "ord", kalt oligonukleotider. Hvert oligonukleotid innbefatter, og ender med, en enkelt G som i AACUCG eller UCCUAUCG.

Oligonukleotidene fremstilt på denne måten var kort nok til å bli sekvensert av de tilgjengelige teknikker. De minste ordene har liten verdi fordi de gjentas mange ganger i hvert molekyl. Når ordet lengde når seks nukleotider, er det imidlertid ikke sikkert at en bestemt sekvens vises mer enn en gang i et 16S RNA-molekyl. (Gitt den konstante terminal G er det 3 ^ 5 eller 243 mulige seks bokstaver sekvenser av denne typen, og et typisk 16S RNA-molekyl har omtrent 25 slike ord.) Når 16 S RNAer fra forskjellige organismer inkluderer de samme seks -letter-sekvensen, gjenspeiler det nesten alltid en ekte homologi. Ved å legge merke til ord kan seks bokstaver lang eller lengre generere en "ordbok" karakteristisk for en gitt organisme, som lett kan sammenlignes med andre slike ordbøker for å bestemme slektsrelasjoner.

En enkel måte å analysere data på er i form av en foreningskoeffisient S-sub-AB, som er definert som dobbelt så mange nukleotider i ordene som er felles for både ordbøkene A og B divideres med antall nukleotider i alle ord i de to ordbøkene. S-sub-AB spenner fra 1 når ordbøkene A og B er identiske med mindre enn .1 når de ikke er relatert. (Koeffisienten er vanligvis større enn null selv for ikke-relaterte sekvenser på grunn av tilfeldighetsresponser.) Ved å samle S-sub-AB- verdiene for en rekke organismer i en matrise kan man skille et mønster av relaterthet eller manglende tilknytning mellom organismer. Mer over, er det mulig ved enkle statistiske metoder å konstruere fra et sett med SAB-verdier for en gruppe organismer som et dendrogram eller tre, som viser forholdet mellom gruppens medlemmer.

Til dags dato har ribosomale RNA av nesten 200 arter av bakterier og eukaryoter blitt karakterisert. De fleste bakteriene danner en sammenhengende men veldig stor (som er å si gammel) gruppe. De er eubakteriene, eller ekte bakterier, og som forventet er de ganske forskjellig fra eukaryotene. Forholdet mellom de ulike slektene (representert ved forgreninger av treet) bestemt ved ribosomal-RNA-analyse er i motsetning til mange av de etablerte fordommene om bakterielle relasjoner. Det som er viktig på dette punktet er at eubakteriene er delt inn i en rekke hovedgrener og hatt flere av grenene inkluderer fotosyntetiske bakterier. Dette funnet antyder at alle eubakterier stammer fra en com mon fotosyntetisk forfader.

Oppdagelsen av archaebacteria

Som screening av bakterier fortsatte en overraskelse dukket opp. I samarbeid med Ralph S. Wolfe så jeg på den ribosomale RNA av de metanogene bakteriene. Disse uvanlige organismene lever bare i oksygenfrie miljøer og genererer metan (CH4) ved reduksjon av karbondioksid (CO2). Vi oppdaget at metanogener ikke faller inn i den fylogenetiske gruppen som er definert av de andre bakteriene. Faktisk ser de ut til å representere en evolusjonær forgrening som langt antedated den felles forfader av alle sanne bakterier. Ikke bare var metanogener skilt, men også gruppen de dannet syntes å være omtrent så dypt fylogenetisk - som gammel - som gruppen definert av eubakteriene.

Det kan ikke være tvil om at metanogenene og deres slektninger er bakterier. De er størrelsen på bakterier, de har ingen kjernemembran, de har lavt DNA-innhold og så videre. Sikkert, da ville man ha forventet at de skulle være nært knyttet til andre bakterier enn til eukaryoter. Vår analyse viste at de ikke er det. Metanogener er så nært knyttet til eukaryoter som eubakterier.

Hvordan kunne dette være? Det skulle bare være to primære linjer av nedstigning, eukaryotisk og prokaryotisk. Her var en ny gruppe organiske ismer: metanogener og deres slektninger, som sammen har kommet for å bli kalt archaebacteria. De var tydeligvis som andre bakterier i deres overfladiske egenskaper, og så hadde de blitt antatt å være i den prokaryote nedstigningslinjen. Det er imidlertid ikke påfallende forskjeller i morfologiske egenskaper, som skiller prokaryoten fylogenetisk fra den eukaryote cellen; Det er de subtilere og mer gamle forskjellene i molekylære sekvenser og i detaljer om funksjon på molekylivå som skiller dem. Derfor er det ingen grunn til at to prokaryotiske nedstigningslinjer ikke kan være like skille av hverandre som hverandre er fra eukaryotiske linjen.

Denne ideen var for roman for å være lett akseptert, og i utgangspunktet avviste noen biologer utelukket begrepet "tredje form for liv". Hvordan kunne noen ting som så ut som en bakterie ikke være en bakterie og egentlig ikke være relatert til bakterier? På tide var enkelheten til vårt argument og akkumulering av bevis overlegen. Selv om noen biologer fremdeles tviler på vår tolkning, er ideen om at arkaebakteriene representerer en egen gruppe på høyeste nivå, generelt akseptert.

Den antatte store antikken av archaebacteria forblir en ubevist fordommer, men det er en plausibel. Den metanogene fenotypen ser ut til å dekke et fylogenetisk spekter så stort som eller større enn spekteret dekket av en hvilken som helst annen sammenlignbar bakteriefenotype. Dette innebærer at metanogener er like gamle som eller eldre enn noen annen bakteriegruppe. Videre er metanogen metabolisme (reduksjonen av karbondioksid til metan) ideelt for den atmosfæren som antas å ha eksistert på den primitive jorden: en som var rik på karbondioksid og inneholdt noe hydrogen, men nesten ingen oksygen. Navnet archaebacteria innebærer at disse organismene var de dominerende i den primære biosfæren. Når forholdene endret seg, begrenset metanogenernes behov for et anaerobt miljø til et begrenset utvalg av relativt tilgjengelige nisjer.

Målingene som avslørte eksistensen av archaebacteria (forskjeller i RNA-sekvenser) var genetiske og var rent kvantitative. De avslørte ingenting om kvaliteten på forskjellene - de fenotypiske forskjellene - mellom archaebacteria og de sanne bakteriene. Hvis vår tolkning av archaebacteria som et primærrikk som er skilt fra den sanne bakterien, er riktig, så må det på detaljert inspeksjon være at arkaebakterierne er så forskjellige fra ekte bakterier i deres molekylære fenotype som hver gruppe er fra eukaryotiske celler.

Archaebacterial former

Archaebacteria er faktisk uvanlige organismer. Gruppen er nå kjent for å inkludere tre svært forskjellige typer bakterier: metanogener, ekstreme halofiler og termoacidophiler.

Den dominerende formen (i den forstand at den utgjør en dyp fylogenetisk gruppering) er metanogenet. Bakterier som gir av metan har vært kjent i noen tid. Alessandro Volta oppdaget i 1776 at "brennbar luft" genereres i myrer, bekker og innsjøer hvis sedimenter er rike på forfallende vegetasjon, men det faktum at en mikroorganisme er ansvarlig for å generere "marshgas" ble kjent bare mye senere. Metanogener er bredt fordelt i naturen, men de er ikke vanlig motsatt fordi de blir drept av oksygen og ikke eksisterer i det åpne.

I gamle tider kunne metanogener ha eksistert nesten hvor som helst. I dag bor de bare hvor oksygen er utelukket og hvor hydrogen og bildioden er tilgjengelig. Dette innebærer generelt å leve i nær tilknytning til andre bakterier, for eksempel clostridia, som metaboliserer forfallende organisk materiale og avgir hydrogen som avfallsprodukt. Metanogener finnes i stillestående vann og i kloakkrensningsanlegg (i mengder som har gjort det kommersielt mulig å fremstille metan). De er også funnet i storfe av storfe og andre drøvtyggere og i tarmkanalen til dyr generelt. Metanogener kan isoleres fra havbunnen og fra varme kilder. Til tross for deres oksoleranse er de åpenbart globalt fordelt.

De ekstreme halofiler er bakterier som krever høye konsentrasjoner av salt for å overleve; Noen av dem vokser lett i mettet saltlake. De kan gi en rød farge til saltfordampningsdammer og kan misfarges og ødelegge saltet fisk. De ekstreme halofiler vokser i salte habitater langs havgrensene og i innlandsvann som Great Salt Lake og Dead Sea. Selv om ekstreme halofiler har blitt studert av mikrobiologer i lang tid, har de nylig blitt spesielt interessante av to grunner. De opprettholder store gradienter i konsentrasjonen av visse ioner over deres cellemembran og utnytter gradienter til å flytte en rekke stoffer inn i og ut av cellen. I tillegg har ekstreme halofiler en relativt enkel fotosyntetisk mekanisme basert på ikke klorofyll, men på et membranbundet pigment, bakterielt rhodopsin, som er bemerkelsesverdig som et av de visuelle pigmentene.

Termoacidophiles

Den tredje kjente typen archaebacterium er termoacidophilen, og medlemmene i denne gruppen er også bruk for deres habitat. Sulfolobus, en av de to genera av termoacidophiles, finnes i varme svovelkilder. Dens ulike arter vokser generelt ved temperaturer nær 80 grader Celsius (176 grader Fahrenheit); Vekst ved temperaturer over 90 grader er observert for enkelte varianter. Videre er fjærene der Sulfolobus blomstrer ekstremt sure; pH-verdier lavere enn 2 er vanlige (en pH på 7 er nøytral). Termoplasma, den andre slekten av termoacidophile, har hittil bare blitt funnet i smolende hauger av kullavfall. Det er en mykoplasma: den har ingen cellevegg, men bare den begrensende cellemembranen.

Selv om archaebacterial termoacidophiles kan vokse bare i et surt miljø, har det indre miljøet i cellen en ganske moderat pH, nær nøytralitet; Dette krever at en betydelig pH-gradient opprettholdes over cellemembranen. Som i ekstreme halofiler kan gradienten spille en rolle i å pumpe andre molekyler inn i og ut av cellen. Det er interessant at når temperaturen er redusert og Sulfolobus slutter å metabolisere, kan cellens indre pH ikke lenger opprettholdes nær nøytralitet, og cellen dør.

For en stund hadde det blitt anerkjent at ulike organismer som nå klassifiseres som archaebakterier, er individuelt noe særegne. I hvert tilfelle har idiosyncrasyen blitt sett på som bare det: en tilpasning til noen særegne nisjer eller biokjemisk sirkel. Ribosomal-RNA-fylogenetisk måling viste imidlertid at i det minste noen av idiosynkrasiene kan i stedet være generelle karakteristika for en ny gruppe organismer. Dermed informert har forskere i mange land forpliktet seg til å finne de generelle egenskapene som knytter archaebakterier til hverandre og for å se hvordan disse egenskapene enten skiller arkabakteriene fra de andre to hovedformene eller relaterer dem spesifikt til den ene eller den andre av disse formene.

En generalisering om bakterier har vært at de har en cellevegg som inneholder sukkerderivatet muramsyre, som er grunnlaget for en kompleks polymer kalt en peptidoglykan. En ekstreme halofile og termoacidophilen var at de har en cellevegg som inneholder sukkerderivatmoramsyren, som er grunnlaget for en kompleks polymer kalt en peptidoglykan. En ekstreme halofile og termoacidophilen Sulfolobus var kjent for å være unntak for denne generaliseringen; de ble ansett å ha en idiosynkratisk veggstruktur. Otto Kandler fra Universitetet i München, samarbeidet med Wolfe, gjorde en systematisk studie av celleveggstruktur i andre kjente archaebakterier. Alle viste seg å være atypiske. Archaebacteria har en rekke veggtyper, men ingen av dem er av muraminsyrebasert peptidogly-type.

Lipider og RNAer

Det var også kjent at cellemembranen til ekstreme halofiler og termoacidofiler er sammensatt av uvanlige lipider. Lipidene til begge eukaryoter og eubakterier består i hovedsak av to rettkjedede fettsyrer bundet i en ende til et glyserolmolekyl gjennom en esterbinding (-CO-O-). Lipidene til ekstreme halofiler og termoacidophiler er også sammensatt av en glycerolgruppe knyttet til to lange hydrokarbonkjeder, men forbindelsen mellom glyserol og kjedene er en eter (-O-) -linje i stedet for en esterlink. Dessuten er hydrokarbonkjedene ikke rette, men forgrenet: hvert fjerde karbonatom i kjeden bærer en metylgruppe (CHa). Den grunnleggende archaebacterial lipid, med andre ord, er en diether sammensatt av glyserol og to molekyler av en alkohol, fytanol. Når en rekke metanogener ble undersøkt for lipidsammensetning, ble vår forventning bekreftet: deres lipider viste seg for å være typisk archaebakterielle forgrenede glyseroletere.

I løpet av ribosomal-RNA-studieren oppsto en annen uventet archaebacterial egenskap, en som skulle gi den første anelse om betydningen av forskjellene mellom archaebacteria og sanne bakterier. Sentralt i prosessen med oversettelse er overførings-RNA-molekylet. Det gjenkjenner en tre base "codon" i messenger RNA som spesifiserer en bestemt aminosyre, og den leverer den aminosyren som skal inkorporeres i proteinkjeden. Et antall av nukleotidene i et overførings-RNA-molekyl er modifisert, det vil si at deres struktur endres kjemisk etter at de er blitt innlemmet i molekylet; Vanligvis tilsettes en metylgruppe til nukleotidet i en eller annen stilling på enten basen eller sukkeret. Biologer hadde kommet til å tro at en bestemt modifikasjon var karakteristisk for en viss posisjon i nesten alle overførings-RNA-molekyler i nesten alle organismer: i denne posisjonen har basen uracil vært metylert for å danne thymin (som vanligvis bare er tilstede i DNA, ikke i RNA ). Det viser seg at alle overførings-RNA'er av alle archaebakterier mangler denne tymineenheten; i stedet har uracilet blitt modifisert på en av to andre måter for å gi en pseudouridin eller et ennå ikke identifisert nukleotid.

Hvis man sammenligner både ribosomal RNA og overførings-RNA i eukaryoter, eubakterier og archaebakterier, finner man et generelt mønster, hvorav erstatning av tymin i arkaebakterisk overførings-RNA er bare ett eksempel. De samme områdene i RNA'ene har en tendens til å bli modifisert i alle tre primære nedstigningslinjer, men naturen av modifikasjonen har en tendens til å variere fra ett kongerike til et annet. Forskjellene er av to slag. Enten er modifikasjonen av en gitt base forskjellig i hver av kongedømmene, eller en gitt base er modifisert i ett rike og i et annet rike blir modifikasjonen gjort til en tilstøtende base. Disse variasjonsmodusene antyder at modifikasjonene har utviklet seg hver for seg i hver hovedlinje.

Flere andre molekylære forskjeller mellom archaebacteria og de andre gruppene er kjent (for eksempel i underenhetstrukturen til enzymet RNA-polymerase), men listen er ikke lang. Årsaken er ikke at flere forskjeller ikke eksisterer; det er heller at verden av archaebacteria forblir nesten uutforsket. Studien av archaebakteriell genetikk er i en primitiv tilstand; få mutanter har selv blitt isolert for genetisk undersøkelse. Ingenting er kjent med kontrollen av genuttrykk i archaebacteria. Den grunnleggende molekylærbiologi av archaebacteria er ikke stående. Og likevel, i den utstrekning at arkabakteriene har blitt karakterisert, har de blitt funnet å skille seg vesentlig fra begge de andre hovedgruppene.

Et nytt perspektiv

Oppdagelsen av et nytt primærregion av organismer er et viktig funn i sin egen rett (sammenlignbar med å gå inn i bakgården og se en organisme som ikke er en plante eller et dyr), men den virkelige betydningen av funn ligger i det det kan avsløre om livets tidlige historie. Da det kun var to kjente primære linjer med nedstigning, kunne man ikke lett tolke forskjellene mellom de to. Anerkjennelsen av tre linjer av nedstigning like langt fra hverandre gir et mye bedre perspektiv for å bedømme hvilke egenskaper som er stamfader og som har utviklet seg nylig. Ved oppdagelsen av archaebacteriene blir to sentrale evolusjonære problemer derfor tilnærmet: naturen til den felles forfader av alt liv og evolusjonen av eukaryotcellen.

På hvilket stadium i utviklingen av cellen fant den grunnleggende oppdelingen i de primære kongedømmene sted? Hva var naturen til den universelle forfaren? Forutsetningen har vært at universumsforfaren var en prokaryote, den enkleste av dagens levende former. For lenge siden må det imidlertid ha vært enklere former for cellen. Selv om det ikke er noe kjent med slike former, kan man lage et utdannet gjetning om visse av deres generelle egenskaper.

Vurder følgende argument. Oversettermekanismen er kompleks, bestående av i størrelsesorden 100 store molekylære komponenter. Det er også svært nøyaktig i sin funksjon. Ved å lage proteiner av den størrelsen som er vanlig i dag (kjeder med fra 100 til 500 aminosyrer) krever et feilfritt produkt 90 prosent av tiden eller mer en feilfrekvens på ikke mer enn noen få deler i 10.000. Dessuten må denne nøyaktigheten oppnås ved en mekanisme med molekylære dimensjoner. For en slik mekanisme å ha utviklet seg i et enkelt trinn er tydelig umulig. Den primitive versjonen av mekanismen må ha vært langt enklere, mindre og mindre nøyaktig.

Upresisjon i oversettelse ville ha krevd syntesen av proteiner som var mindre, og derfor mindre spesifikke i sin handling enn proteiner er i dag. (Ellers ville sannsynligheten for feil ved å lage en proteinstreng vært for stor.) Blant de mindre og mindre spesifikke proteinene ville vært enzymene som kreves for å behandle genetisk informasjon. Hvis disse enzymene var mindre presise enn dagens versjoner, må cellens mutasjonsrate nødvendigvis ha vært høyere og størrelsen på dens genom tilsvarende mindre. Oversetterprosessen er koblingen mellom genotype og fenotype, mellom informasjon og dens uttrykk; Da prosessen utviklet seg til å bli mer presis, gikk cellen selv nødvendigvis gjennom en tilsvarende serie av evolusjonære raffinementer. Det utviklet seg fra en enhet som hadde enkle egenskaper, upresise og generelle funksjoner og et ganske lite komplement av gener til en enhet som fungerte med mange svært spesifikke enzymer og et komplekst, nøyaktig genetisk apparat. For å understreke de primitive genetiske og translasjonelle mekanismer fra den tidligere, enklere celler, jeg kaller dem progenoter.

Forfedre som forfedre

Oppdagelsen av archaebacteria gir det perspektivet som trengs for å nærme seg spørsmålet om hvorvidt den universelle forfaren var en prokaryote eller en progenote. Selv om spørsmålet er langt fra bosatt, er de første indikasjonene at universumsforfaren virkelig var en progenote. Først og fremst vurder at sanne bakterier og archaebakterier har sannsynligvis eksistert i minst 3. 5 milliarder år. Tiden som trengs for utviklingen av de første sanne bakteriene eller archaebacteria måtte da være mindre enn en milliard år, og kanskje mye mindre. Likevel er de slags evolusjonære forandringer som har oppstått i hver av bakteriedrikkene over det senere intervallet på tre milliard år eller mer mindre sammenlignet med forskjellene som skiller arkaebakterier fra ekte bakterier, som forskjellene i lipider, i overførings-RNA og ribosomal-RNA-sekvenser og modifikasjonsmønstre og i enzym-underenhet struktur.

Det ser ut til at evolusjonens natur for fire milliarder år siden var svært forskjellig fra hva det var senere. Dette innebærer at organismer som går under utviklingen, også var veldig forskjellige. Muligheten for at den universelle forfaren var i ferd med å utvikle celleveggen, foreslås av det faktum at archaebakterielle cellevegger er like ulikt ekte bakterievegger som eukaryotiske vegger er. Kanskje den universelle forfaren fortsatt utviklet eller raffinerte biokjemiske veier i tillegg; lipider syntetiseres forskjellig i de to bakterielle kongene, og mange koenzymer er forskjellige. Hvis det oppdages at arkeobakterier skal avvike fra ekte bakterier i deres mekanismer for å kontrollere genuttrykk (en mulighet som ennå ikke er undersøkt), ville implikasjonen være at deres felles forfedre kun har hatt rudimentære mekanismer for genetisk kontroll.

Nøkkelspørsmålet er om den universelle forfaren fortsatt utviklet genotype-fenotypelinken når den ga opphav til sine etterkommere. To observasjoner tyder på at det kan ha vært. RNA-polymerase er enzymet som transkriberer genet i sitt messenger-RNA-komplement (som deretter blir oversatt til protein). Underenhetstrukturen til RNA-polymerasen er ganske konstant blant de sanne bakteriene, mens den arkabakterielle polymerasestrukturen er forskjellig. Kan dette bety at RNA-polymerasefunksjonen fortsatt ble re-finert på den tiden de to bakterielle linjene separerte?

Den andre observasjonen angår de modifiserte nukleotidene i overførings- og ribosomale RNAer. Som nevnt ovenfor, er modifikasjonsmønstrene nesten uavhengige i alle primærriker, men de har en tendens til å variere mellom kongedømmene. Selv om funksjonen til modifiserte nukleotider i overførings- og ribosomale RNA ikke er forstått, er det rimelig å anta at de fleste tjener til å "finjustere" oversettelse: for å gjøre det mer presist. Hvis det er slik, ser det ut til at mange av modifikasjonene har utviklet seg uavhengig i hver av de primære kongedømmene. Uavhengigheten av disse modifikasjonene innebærer at den universelle forfaren ikke hadde dagens høyt spesialiserte transfer-RNA- og ribosomal-RNA-molekyler, men gjort med mer rudimentær oversettelse maskineri. På dette stadiet kan man bare si at fakta er konsistente med, og i gjerning som tyder på, at den universelle forfaren har hatt rudimentære transkripsjons- og oversettelsesmekanismer, og så har vært en progenote.

Urkaryotens opprinnelse

Med hensyn til deres ribosomal-RNA-kataloger ser arkaebakteriene, eubakteriene og eukaryotene seg ut til å være likeverdige fra hverandre slektsspaltet; Ingen spesifikk sammenheng mellom noen av de tre har blitt oppdaget. Likevel, i form av aminosyresekvensen av ett protein, ser det ribosomale A- proteinet som arkaebakteriene tydeligvis til slektninger av eukaryotene. Derfor kan det være at archaebakterier så vel som ekte bakterier deltok i å danne eukaryotiske celler. Kanskje er det for archaebakteriene man bør se etter opprinnelsen til den uforklarlige scenen i eukaryotcellen: urkaryoten som var vert for endosymbiont-forfedrene til mitokondrion og kloroplast. (I stedet for å søke etter den hypotetiske verten, bør man i stedet spørre om det var en slik enhet. Det er ikke tid til å forme nye funn i samsvar med gamle fordommer.)

Som jeg har indikert, er forskjellene mellom eukaryotcellen og de andre hovedcelletyper på molekylivå mer omfattende og gjennomgripende enn noen av forskjellene synlige med et mikroskop. Den eukaryote kjerne ser ut til å inneholde minst tre typer gener: de av eubakteriell opprinnelse (antatt å ha blitt bevilget fra genomene av eukaryotens organeller), de av arkebakteriell opprinnelse (for eksempel genet for ribosomalt A- protein) og de av en uidentifisert tredje opprinnelse (eksemplifisert av det cytoplasmatiske ribosomale RNA). I hvilken grad er den eukaryote kjerne genetisk en kimær: En enhet bestående av deler samlet fra forskjellige kilder? På hvilket stadium (eller stadier) av evolusjonen fant den formodede forsamlingen sted? Og hva var arten av organismer som leverte de forskjellige gener og strukturer?

Biologer har en tendens til å se på eukaryotiske celler som blitt dannet av foreningen av fullt utviklede prokaryote celler; deres forening antas å ha skapt en "høyere" type celle, eukaryoten. (Begrepet prokaryote - "før kjernen" - bærer bare denne implikasjonen). Spørsmålet som en fortjeneste blir spurt nå, er om de evolusjonære midlene som ga eukaryotcellen sin grunnleggende molekylære karakter, virkelig var av denne art. Den eukaryote cellen ser ut til å være en kimær på et svært grunnleggende nivå. Selv det eukaryote ribosomet synes å være kimært, dets komponent-RNA har kommet fra en annen kilde enn den for minst ett av dets proteiner. Hvis dette er en korrekt tolkning av dataene (og fremtidige undersøkelser må avgjøre punktet), kan eukaryotcellen være en annen type enhet enn det som nå er tatt for å være. Det kan ha vært kimært selv før det nådde et kompleksstadium som er sammenlignbart med dagens prokaryoter; Det kan ha vært kimær som det oppstod av progenot tilstanden. I stedet for å være en avansert, "høyere" form, kan den eukaryote cellen representere en tilbakekalling til den evolusjonære dynamikken til sin langt borte forfedre, progenoten.

Kanskje den mest spennende tingen om de siste funnene i molekylær fylogeni er at de viser hvor mye informasjon om de meget tidlige stadiene av evolusjonen er låst inn i selve cellen. Det er ikke lenger nødvendig å stole utelukkende på spekulasjoner for å redegjøre for livets opprinnelse. Det har blitt vanlig å tenke på de siste tiårene av dette århundret som en tid i biologi når "genteknologi" vil muliggjøre spennende utviklinger innen medisin og industri. Det må også gjenkjennes at biologi nå er på terskelen til en roligere revolusjon, en som mennesket vil komme til å stå for alle livets røtter og derved få en dypere forståelse av den evolusjonære prosessen.

AntennestasjonEr virusene levende?Å øke Volt-Age: Er Obamas mål om 1 million elektriske kjøretøy på US Highway i 2015 Realistisk?Arktisk rapportkort: Sviktende å stoppe oppvarmingAmerikanske Brødkurv Skift Takket være KlimaendringGode ​​nyheter etter Gulf spill: Turtle redningsplan lykkesBrukte batterier kan hjelpe California Store fornybar energiKlimaendring tilbyr grim langvarig prognose for sjømat