9.Происхождение и эволюция прокариот

9. Эволюция прокариот.
Одна из главных задач исследования эволюции жизни на Земле – проблема
эволюционных взаимоотношений 3 доменов жизни: Бактерий, Археев и Эукариот и
создание универсального дерева жизни. Предполагается, что Археи и Эукариоты имеют
общего
предка,
отличного
от
Бактерий.
Предполагается,
что
первой
самореплицирующейся молекулой была РНК, она была основой первых примитивных
клеток. Остается неясным происхождение клеточного ядра эукариот, митохондрии и
гидрогеносомы некоторых анаэробных простейших, а также хлоропласты, согласно
эндосимбиотической
теории,
произошли
от
протеобактерий
и
цианобактерий,
соответственно.
Говоря о биологическом разнообразии, обычно представляют многообразие
растений и животных, в то же время разнообразие микробных форм жизни огромно и
исследовано недостаточно. Метаболическая пластичность микробов позволила им занять
огромное число экологических ниш – гораздо большее, чем у любой другой группы
организмов.
9.1. Происхождение жизни на Земле.
Возраст нашей планеты, по данным радиоизотопного анализа метеоритов,
оценивается в 4,5-4,6 млрд. лет. Первые 100 млн. лет условия на планете не могли
поддерживать ни одного из типов жизни. Первые прямые данные о клеточных формах
жизни были получены в 1977 году в Южной Африке. Эти микробные организмы, подобно
археям, обнаруженным в Австралии, были датированы 3,5 млрд. лет.
Основная масса воды находилась в гидратированном состоянии, Океан содержал
менее 10% современной воды, рН 8-9, восстановительная атмосфера. Возникновение
кислорода связывают с фотосинтезом, однако, если интенсивность УФ была высока,
следует учитывать вклад фотолиза воды.
Гипотеза о предбиологическом отборе, Опарина и Холдейна (1929).
Синтез низкомолекулярных органических соединений (биологических мономеров)
из
газов первичной атмосферы. 2.
Образование биологических
полимеров. 3.
Формирование фазообособленных систем органических веществ, отделенных от внешней
среды мембранами (протобионтов). 4. Возникновение простейших клеток, обладающих
свойствами живого, в том числе репродуктивным аппаратом, обеспечивающим передачу
дочерним клеткам свойств клеток родительских.
1
Опыты Миллера (синтез аминокислот, органических кислот, альдегидов и
углеводов) из формальдегида – сахара, из метана и воды – жирные кислоты. Оро – синтез
АТФ, Фокс – синтез протеиноидных микросфер, Шрамм синтез полинуклеотидов.
Протеиноидные
микросферы
–
стабильны,
не
разрушаются
при
центрифугировании, более устойчивы, чем коацерваты, кислые-грамотрицательны, из
основных-грамположительны, избирательная проницаемость, почкование, подвижность,
контактирование, наращивание массы. Опыт с фосфорилазой и бета амилазой. Важными
событиями в предбиологической эволюции были возникновение оптической активности,
матричного синтеза, каталитической активности.
Оптическая активность. За исключением глицина, все АК имеют оптическую
активность, в составе белков L-форма, полисахариды – D-формы. Способностью к
репликации обладают только молекулы, состоящие из одного типа изомеров.
Ферментативная активность. Протоклетки создавали благоприятные условия
для протекания реакций, катализаторы неорганические, простейшие молекулы из
«бульона» - коферменты. Простые пептиды – простейшие катализаторы. Субстратная
специфичность возникла гораздо позже.
Матричный синтез. Экспериментально показана возможность комплементарного
связывания мононуклеотидов с полинуклеотидной матрицей и образование ковалентных
связей.
Возникновение аэробной среды.
2
млрд.
первые
лет
цианеи,
выделяющие кислород,
1,5
млрд.,
появились
первые эукариоты. Для
осуществления
процессов
дыхания
достаточно
0,2%
кислорода.
О2
высокотоксичен
для
анаэробных
клеток,
семейство радикальных
частиц.
2
Митчелл предположил, что система переноса электронов и АТФаза возникли
независимо друг от друга, как разные механизмы выработки дМН+, необходимого для
избирательного транспорта. Сопряжение эл транспорта и фосфорилирования аналогично у
всех организмов, что свидетельствует об их древнем происхождении.
АТФаза обнаружена в клетках всех организмов. Первично питательные вещества
поступали пассивно. Энергия гидролиза АТФ использовалась для создания градиента
протонов. 1 АТФ = 2 протона. Сопровождающее брожение выделение кислот создает
протонный градиент, что может обеспечивать до 30% энергии вырабатываемой клеткой.
Следующий этап после брожения – достройка фотосистемы к цепям переноса
электронов. Первично сформировался циклический транспорт, восстановитель клетки
получали при брожении или тратили часть АТФ, образованной в процессе обратного
переноса электронов. Следующий этап – нециклический транспорт, выделение О2.
Первые самореплицирующиеся молекулы – РНК.
Трудно сказать с уверенностью, каким образом воспроизводили себя первые
древние клетки, очевидно, они были проще любых современных клеток. На первобытной
Земле имелось огромное разнообразие химических соединений, которые, взаимодействуя
случайным образом, тестировали продукты реакций, отбирая наиболее устойчивые.
Первые клетки эволюционировали в условиях высокой температуры, в атмосфере из
водорода, диоксида углерода, азота и аммиака. Живая структура должна содержать ДНК,
РНК и белки. Для жизни необходимы молекулы способные реплицироваться и выполнять
клеточную работу, ДНК может реплицироваться, но не выполняет работы, белки
напротив.
Решение
проблемы
предложил
Томас
Чех
в
1981,
открывший
РНК
эукариотического организма Tetrahymena, способную осуществлять сплайсинг самой себя.
Сидни Алтман в 1984 обнаружил РНКазу на основе РНК, способную резать
фосфоэфирные связи.такие молекулы назвали рибозимами. В 1986 Уолтер Гилберт
предложил концепцию «мира РНК», первые самореплицирующиеся молекулы РНК
обладали
ферментативной
активностью.
Почти
полмиллиарда
лет
происходил
статистический перебор, пока не появилось образование подобное современной молекуле
РНК, заключенной в липидный пузырек. Сам образ функционирования РНК указывает на
ее древнее происхождение, большая часть РНК находится в рибосомах, рРНК
катализирует конформационные изменение пептидов, рибосомы, используя тРНК и иРНК,
осуществляют синтез белка. РНК также служит основой для синтеза ДНК, основной
3
энергетической молекулой клеток служит рибонуклеотид АТФ, РНК может регулировать
экспрессию генов.
Доводы против гипотезы РНК-жизни: условия на Земле затрудняли синтез рибозы,
фосфатов, пуринов, пиримидинов, нестабильность полимеров РНК. Джеймс Феррис в
1996 г. описал явление высокой устойчивости полимеров РНК в присутствии некоторых
минералов, позже подобные свойства открыты для полипептидных цепочек в присутствии
гидроксиаппатита, иллита. Однако неясно как могли реплицироваться РНК, рибозима,
способного реплицировать РНК, не обнаружено, и не создано исскуственно.
9.2. Эволюция 3 доменов живого: Архебактерий, Эубактерий и Эукариот. 3
домена жизни.
Лишь в последние десятилетия с развитием молекулярной генетики, появилась
возможность исследования нуклеотидных и аминокислотных последовательностей. В
1977 Карл Войес и Джордж Фокс, исследуя малые субъединицы рРНК, разделили живое
на три домена: Археи, Бактерии и Эукариоты. Сиквенс рРНК позволяет определить
эволюционное расстояние между организмами. Скорее всего, Археи и Эукариоты
эволюционировали независимо от Бактерий, имея одного на 3 группы общего предка.
Другая гипотеза предполагает, что Бактерии и Эукариоты формировались отдельно,
Археи – составная группа организмов, включающая эволюционировавших представителей
2 других. Часть генов Археев аналогична Эукариотам, еще больше – Бактериям, другое
объяснение: происхождение Эукариот от слияния древних Археев с бактериальными
клетками. Гипотеза слияния геномов предполагает слияние древней архейной клетки с
клеткой примитивной грамотрицательной протеобактерии. Слияние геномов объясняет
происхождение ядра и присутствие у Эукариотов генов Архей и Бактерий одновременно.
Сравнительные характеристики Эубактерий, Архебактерий и Эукариот.
Свойство
Эубактерии
Архебактерии
Эукариоты
Ядро
нет
нет
есть
Мембранные органоиды
нет
нет
есть
Клеточная стенка
Пептидогликаны
+ Без
мурамовые кислоты
4
мурамовых Без
кислот
мурамовых
кислот
Липиды ЦПМ
Прямые
цепи Разветвленные
жирных кислот
цепи
Прямые
цепи
жирных жирных кислот
кислот
Полицистронная иРНК
есть
есть
нет
Интроны
нет
нет
есть
Схожие АТФазы
нет
есть
есть
Хлорофилл
есть
нет
есть
1-я тРНК (трансляция)
формил-метионин
метионин
метионин
Современное
«Дерево
жизни»,
построенное
последовательностей рРНК.
5
на
основе
анализа
Эндосимбиотическая теория.
В отличие от дискуссионной гипотезы слияния геномов, эндосимбиотическая
гипотеза принята в качестве объяснения происхождения хлоропластов и митохондрий.
Оба органоида имеют бактериальные рибосомы и кольцевую хромосому. Альфапротеобактерия Rickettsia prowazekii облигатный внутриклеточный паразит, геном
которого очень близок к геному митохондрий. Аналогично, происхождение хлоропластов
связывается с эндосимбиозом цианобактерий Prochloron, единственный прокариот,
имеющий хлорофилл а и b.
В последнее время гипотеза была дополнена данными о эндосимбиотическом
происхождении
гидрогеносом.
Анаэробные
альфа-протеобактерии
продуцирующие
водород и СО2 в процессе брожения образовали гидрогеносомы. Вероятно, митохондрия и
гидрогеносома являются аэробной и анаэробной вариациями, имеющими общего предка.
Последовательная эндосимбиотическая теория описывает эволюцию Эукариот
как серию эндосимбиотических слияний. Вначале произошло развитие подвижности в
результате слияния анаэробной спирохеты и другого анаэроба, затем сформировалось
ядро в результате развития внутренних мембран, далее эволюция митохондрий. Все это
привело к формированию клеток предковых форм грибов и животных, далее с развитием
хлоропластов и растений.
Классификация и таксономия микроорганизмов.
Таксономия система биологической классификации МО, включает 3 компонента:

классификацию (схему выстраивающую организмы в систему, группируя их в
таксоны),

номенклатуру (наименование таксонов),

определение.
Помимо основной таксономической единицы – вида, различают также био-, морфо-,
серовары. Общепринятой является классификация Берджи (1926). Современное издание
(2001-2007) описывает 25 типов прокариот.
Построение филогенетического дерева на основе анализа сходства различных
признаков.
Характеристики микроорганизмов, которые используются для классификации:

Классические: морфология, физиология и метаболизм и экология;
6

Генетические (трансформация, конъюгация внутри рода и даже семейства,
плазмиды), молекулярные.
Поскольку
бактерии
не
оставляют
ископаемых
останков,
молекулярные
характеристики становятся ведущими для классификации прокариот.
Состав нуклеиновых кислот: жидкостная хроматография, или температура
плавления ДНК (зависит от содержания GCпар: GC-3 связи, AT-2 связи).
Метод гибридизации ДНК. Более 70% критерий вида.
Сиквенс малых субъединиц РНК 16S и 18S. Консервативные участки, не
подверженные горизонтальному переносу генов, изменяются очень медленно. Позволяют
сравнивать отдаленные группы МО. Коэффициент ассоциации.
Геномный фингерпринт, ПДРФ, повтор, полногеномный сиквенс.
Молекулярные
часы.
Изменение
последовательности
рРНК
и
белков
пропорционально времени эволюции.
Дерево жизни.
Наиболее распространено разделение на 3 ветви Ар, Про, Эу.
Иногда выделяют Эоциты – экстремальных серозависимых термофилов. Единого
мнения не существует: сравнение генов обработки генетического материала или
7
«домашнего хозяйства» дает разные результаты.
Возможно существование многих
факторов искажающих картину эволюции: дупликации генов, неравномерная скорость
эволюции, потеря информации.
Царства:
Животные (многоклет. Гетеротрофы без кл.ст.), Растения (многоклет., кл. ст.,
фотоавтотрофы), прокариоты, Протисты (без истинных тканей), Грибы (эукариоты,
многоядерные, мицелиальные). 6 царств (Виттакер), 8 царств (Кавалье-Смит).
8