If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

პროკარიოტების კლასიფიკაცია და მრავალფეროვნება

პროკარიოტების განსხვავებული ჯგუფები. ბქტერიების და არქაების ევოლუციური კავშირი. ექსტრემოფილები.

საკვანძო საკითხები:

  • ორი პროკარიოტული დომენი (ზესამეფო), ბაქტერიები და არქეები, ერთმანეთს ევოლუციური ისტორიის ადრეულ ეტაპზე გამოეყო.
  • ბაქტერიები ძალიან მრავალფეროვანნი არიან, დაწყებული დაავადებების გამომწვევი პათოგენებით, დამთავრებული სასარგებლო ფოტოსინთეზატორებითა და სიმბიონტებით.
  • არქეებიც გამოირჩევიან მრავალფეროვნებით, თუმცა არცერთი მათგანი არაა პათოგენური, მათი დიდი ნაწილი კი ექსტრემალურ პირობებში ბინადრობს.
  • დნმ-ის სეკვენირების მეთოდი, რომელსაც მეტაგენომიკა ეწოდება, მეცნიერებს ბაქტერიებისა და არქეების ახალი სახეობების ამოცნობის საშუალებას აძლევს, მათ შორის ისეთების, რომელთა ხელოვნურად მოშენებაც შეუძლებელია.

შესავალი

პროკარიოტები, რომელთა სიაშიც ბაქტერიებიც შედიან და არქეებიც, თითქმის ყველგან არიან — ყველა ეკოსისტემაში, ჩვენი სახლების ყველა ზედაპირზე და ჩვენს სხეულებში! ზოგიერთი მათგანი ისეთ გარემოში ბინადრობს, რომელიც ზედმეტად ექსტრემალურია სხვა ორგანიზმებისთვის, მაგალითად, ოკეანის ფსკერის ცხელ ჰიდროთერმულ წყაროებში.
_სურათის წყარო: „Black smoker in Atlantic ocean“, პ. რონა (საჯარო დომენი)._
იმის მიუხედავად, რომ ისინი ჩვენ გარშემო მრავლად არიან, პროკარიოტების პოვნა, დათვლა და კლასიფიკაცია ძალიან რთულია. ის პროკარიოტული სახეობები, რომელთა შესახებაც ჩვენ ვიცით, სავარაუდოდ, დედამიწაზე არსებული პროკარიოტული სახეობების მხოლოდ მცირე ნაწილს წარმოადგენენ.1 მეტიც, პროკარიოტებზე საუბრისას თვითონ „სახეობის“ ცნებაც კი ბევრად უფრო ჩახლართული ხდება!
ამ სტატიაში ჩვენ ჯერ განვიხილავთ პროკარიოტთა მთავარ ჯგუფებს, შემდგომ კი ვნახავთ, თუ რატომ არის ზოგჯერ მათი ამოცნობა და კლასიფიკაცია რთული. ბოლოს, გავეცნობით იმას, თუ როგორ გვეხმარება დნმ-ის სეკვენირების მეთოდები ჩვენ გარშემო არსებული პროკარიოტების უფრო სრული სურათის მიღებაში.

პროკარიოტთა „ოჯახის ხე“

დიდი ხნის განმავლობაში ყველა პროკარიოტი ერთ დომენში კლასიფიცირდებოდა (ყველაზე დიდ ტაქსონომიურ ჯგუფში).
მიუხედავად ამისა, 1970-იან წლებში მიკრიობოლოგ კარლ ვოუზის ნაშრომმა ცხადყო, რომ პროკარიოტები ორ განსხვავებულ თაობათა ხაზად იყოფიან: არქეები და ბაქტერიები. დღესდღეობით მიიჩნევა, რომ ეს ჯგუფები სიცოცხლის სამი დომენიდან ორს ქმნიან. მესამე დომენი (ეუკარიოტები) მოიცავს ყველა ეუკარიოტს, როგორებიც არიან მცენარეები, ცხოველები და სოკოები.2
სურათის წყარო: „პროკარიოტების სტრუქტურა: სურათი 3“, ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0).
მილიონობით წლის წინ ერთმანეთისგან გამოყოფის შემდეგ ბაქტერიებიც და არქეებიც მრავალ ჯგუფად და სახეობად დაიყვნენ.

ბაქტერიები

ბაქტერიების დომენი შედგება 5 მთავარი ჯგუფისგან: პროტეობაქტერიები, ქლამიდიები, სპიროქეტები, ციანობაქტერიები და გრამდადებითი ბაქტერიები.
პროტეობაქტერიები ხუთ ქვეჯგუფად იყოფიან, ალფადან ეფსილონამდე. ამ ქვეჯგუფებში არსებულ სახეობებს ცხოვრების განსხვავებული სტილი აქვთ. ზოგიერთი მათგანი სიმბიოზურ ურთიერთობებშია მცენარეებთან, სხვანი ზღვის სიღრმეში, ჰიდროთერმულ წყაროებში ბინადრობენ, ზოგი კი ადამიანებში დაავადებებს იწვევს, მაგალითად, კუჭის წყლულსა (Helicobacter pylori) და საკვებით მოწამვლას (Salmonella).
_სურათის წყარო: „პროკარიოტების სტრუქტურა: სურათი 4“, ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია, CC BY 4,0. ორიგინალი ნამუშევრის წყაროები: „Rickettsia rickettsia”: CDC-ის ნამუშევრის მოდიფიკაცია; „Spirillum minus”: ვოლფრამ ადლასნიგის ნამუშევრის მოდიფიკაცია; „Vibrio cholera”: ჯენის ჰანი კარის ნამუშევრის მოდიფიკაცია, CDC; „Desulfovibrio vulgaris”: გრემ ბრედლის ნამუშევრის მოდიფიკაცია; „Campylobacter”: ავტორის De Wood, Pooley, USDA, ARS, EMU ნამუშევრის მოდიფიკაცია; მასშტაბის მონაცემები მეტ რასელისა._
ბაქტერიათა დარჩენილი ოთხი მთავარი ჯგუფიც ამდენადვე მრავალფეროვანია. ქლამიდიები არიან პათოგენები, რომლებიც მასპინძელ უჯრედებში ცხოვრობენ, ციანობაქტერიები კი ის ფოტოსინთეზატორები არიან, რომლებიც დედამიწის ჟანგბადის დიდ ნაწილს წარმოქმნიან. სპიროქეტები მოიცავენ უვნებელ და საზიანო ბაქტერიებს, მაგალითად, Borrelia burgdorferi-ს, რომელიც ლაიმის დაავადებას იწვევს. იმავეს თქმა შეიძლება გრამდადებით ბაქტერიებზე, რომელთა შორისაცაა, მაგალითად, პრობიოტური ბაქტერიები იოგურტში და Bacillus anthracis, რომელიც ციმბირის წყლულს (ჯილეხს) აჩენს.4
_სურათის წყარო: „პროკარიოტების სტრუქტურა: სურათი 5“, ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია, CC BY 4,0. ორიგინალი სურათის წყაროები: „Chlamydia trachomatis”: Dr. Lance Liotta Laboratory, NCI-ის ნამუშევრის მოდიფიკაცია; „Treponema pallidum”: დრ. დევიდ კოქსის ნამუშევრის მოდიფიკაცია, CDC; „Phormidium”: USGS-ის ნამუშევრის მოდიფიკაცია; „Clostridium difficile”: ლუის ს. ვიგზის ნამუშევრის მოდიფიკაცია, CDC; მასშტაბის მონაცემები მეტ რასელისა._

არქეები

არქეების დომენი 4 მთავარ ჯგუფს შეიცავს. საინტერესოა, რომ ჯერჯერობით არ აღმოჩენილა ისეთი არქეა, რომელიც ადამიანის პათოგენია.
არქეები ცხოვრობენ როგორც ჩვენს სხეულებში, ისე ცხოველებისაშიც — მაგალითად, ნაწლავებში — მაგრამ ყველა მათგანი, როგორც ჩანს, უვნებელი და სასარგებლოც კია. მართალია, არსებობს ჰიპოთეზები, თუმცა ჯერ ზუსტად არავინ იცის, რატომ არის ყველა არქეა „მეგობრული“ და რატომ არ წარმოიქმნა ევოლუციურად დაავადების გამომწვევი სახეობები.5
არქეებთან ერთად, რომლებიც ადამიანის ნაწლავების კომფორტულ გარემოთი ნებივრობენ, არსებობს მრავალი ექსტრემოფილი სახეობა, რომელიც გაცილებით უფრო მეტად არასტუმართმოყვარე გარემოებში ბინადრობენ, მათ შორის ვულკანურ გეოთერმულ წყაროებში, წყალქვეშა ჰიდროთერმულ წყაროებში და ძალიან მარილიან ადგილებში, როგორიცაა, მაგალითად, მკვდარი ზღვა.
_სურათის წყარო: „პროკარიოტების სტრუქტურა: სურათი 6“, ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია, CC BY 4,0. ორიგინალი სურათის წყაროები: „Halobacterium”: ნასას ნამუშევრის მოდიფიკაცია; „Nanoarchaeotum equitans”: კარლ ო. შტეტერის ნამუშევრის მოდიფიკაცია; „korarchaeota”: აშშ-ის ენერგიის დეპარტამენტის მეცნიერებათა ოფისის ნამუშევრის მოდიფიკაცია; მასშტაბის მონაცემები მეტ რასელისა._

მრავალი „იდუმალი პროკარიოტი“

მრავალი წლის განმავლობაში პროკარიოტების შესწავლის მთავარი მეთოდი მათი ლაბორატორიაში გამოზრდა იყო. თუკი შესაძლებელია ორგანიზმის გაზრდა აგარზე ან თხევად არეში, მაშინ შესაძლებელია მისი შესწავლა, ანალიზი, შემდგომ კი პროკარიოტების სახეობებისა და შტამების კატალოგში დამატება.
მიუხედავად ამისა, ზოგიერთი პროკარიოტი ვერ გაიზრდება ლაბორატორიულ პირობებში (ყოველ შემთხვევაში, არა იმ პირობებში, რომლებიც მეცნიერებმა სცადეს). მეტიც, ბაქტერიებისა და არქეების 99%-ის მოშენება შეუძლებელია!
ამ საკვებ ნიადაგებში (აგარების ფირფიტებში) საკვები არე შევსებულია სისხლის წითელი უჯრედებით. სისხლის აგარი გამჭვირვალე ხდება ჰემოლიზური Streptococcus ბაქტერიების თანაობისას, როგორც ეს მარჯვენა ფირფიტაზეა ნაჩვენები. _სურათის წყარო: პროკარიოტთა მრავალფეროვნება: სურათი 6, ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია, (CC BY 4,0). ორიგინალური სურათი ბილ ბრენსონისა, NCI._
ამის გამო პროკარიოტების შესახებ ცოდნაში დიდი ჩავარდნა გვაქვს. შედარებისთვის, ჩვენ ვიცით 8,7 მილიონი ეუკარიოტული სახეობის შესახებ6. ეუკარიოტების კულტივირებასთან ასეთივე პრობლემა რომ შეგვქმნოდა, გვეცოდინებოდა მხოლოდ 87,000 სახეობა. ეს საგრძნობლად დააცარიელებდა სიცოცხლის ხეს და შეამცირებდა ცოდნას ეუკარიოტებზე, როგორც ჯგუფზე. მაგალითად, გვეცოდინებოდა ცხოველების არსებობის შესახებ, თუმცა მცენარეებისა და სოკოების შესახებ ჩვენი ცოდნა ბუნდოვანი იქნებოდა!

რას წარმოადგენს პროკარიოტული სახეობა?

პროკარიოტული სახეობების პოვნაზე საუბარს თუ ვაპირებთ, ალბათ, ჯერ უნდა განვმარტოთ, თუ რა არის პროკარიოტული სახეობა. შესაძლოა, ეს მარტივი შეკითხვასავით ჟღერდეს, მაგრამ, სინამდვილეში, იგი საკმაოდ კომპლექსური და საკამათოც კია, თუკი მიკრობიოლოგი ხართ.
ეუკარიოტების შემთხვევაში მეცნიერთა უმეტესობა სახეობას განსაზღვრავს, როგორც ჯგუფს ორგანიზმებისა, რომლებსაც შეუძლიათ შეჯვარება და ნაყოფიერი შთამომავლობის წარმოქმნა. ეს განსაზღვრება გასაგებია იმ სახეობების შემთხვევაში, რომლებიც სქესობრივი გზით მრავლდებიან, მაგრამ ის იმავენაირად არ მოქმედებს ბაქტერიების მსგავსი ორგანიზმების შემთხვევაში. ბაქტერიები უსქესოდ მრავლდებიან და საკუთარი თავის ასლებს წარმოქმნიან — ისინი არ ჯვარდებიან ერთმანეთთან.
ნაცვლად ამისა, მეცნიერები ბაქტერიებსა და არქეებს ტაქსონომიურ ჯგუფებში ანაწილებენ მათ გარეგნობაზე, ფიზიოლოგიასა და გენებზე დაყრდნობით.7 მრავალ მათგანს სახელი ეწოდება ტრადიციული ლინესეული ტაქსონომიის გამოყენებით (გვარი და სახეობა). და მაინც, მეცნიერებს შორის ჯერ კიდევ დავის საგანს წარმოადგენს ის საკითხი, თუ როგორ უნდა დაჯგუფდნენ პროკარიოტები სახეობებად ან რამდენად სწორია ეს. „სახეობის ზუსტი კონცეპტი“ ამ ორგანიზმებისთვის ჯერ კიდევ მუშავდება.8

მეტაგენომიკა: ახალი თვალით დანახული მიკრობები

მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ მილიონობით პროკარიოტული სახეობა (ან სახეობის მსგავსი ჯგუფი) არსებობს, თუმცა ჩვენ ძალიან ცოტა ვიცით მათი უმრავლესობის შესახებ.1 ეს ნელ-ნელა იცვლება ფართომასშტაბიანი დნმ-ის სეკვენირების წყალობით.
დნმ-ს სეკვენირების მეშვეობით მეცნიერებს შეუძლიათ მთლიანი პროკარიოტული თანასაზოგადოებების შესწავლა მათ ბუნებრივ საბინადრო გარემოებში — მათ შორის იმ მრავალი პროკარიოტისა, რომელთა ხელოვნურად მოშენებაც შეუძლებელია და რომლებიც აქამდე მკვლევრებისთვის „უჩინრები“ იყვნენ.
ამგვარი თანასაზოგადოების ერთობლივ გენომს მეტაგენომი ეწოდება, მეტაგენომის მიმდევრობების ანალიზით კი მეტაგენომიკაა დაკავებული. პროკარიოტული მეტაგენომიკა ბიოლოგიის იმ დარგებს შორისაა, რომლებიც ჩემთვის ყველაზე საინტერესო და იდუმალია.
შეგვიძლია, დნმ-ის ნიმუში ავიღოთ ჰიდროთერმული წყაროების მიკრობული „ხალიჩიდან“, მაგალითად, ისეთი მშვენიერი და მრავალფეროვანი „ხალიჩებიდან“, როგორებიც იელოუსტოუნის ეროვნულ პარკშია (აშშ). ამ მდიდარი თანასაზოგადოების მცირე ნიმუშიც კი სხვადასხვა სახეობის უამრავ ინდივიდს მოიცავს.9
სურათის წყარო: „ბაქტერიული ხალიჩა“, sevenblock CC BY-NC-SA 2,0.
მეტაგენომური დნმ-ის ნიმუშების სეკვენირებითა და ანალიზით მეცნიერებს ზოგჯერ მანამდე უცნობი სახეობების მთლიანი გენომების გაერთიანება შეუძლიათ. სხვა შემთხვევებში, ისინი განსაზღვრული გენების მიმდევრობების ინფორმაციას იყენებენ იმის განსასაზღვრად, თუ რა ტიპის პროკარიოტებია ამ თანასაზოგადოებაში (და როგორ ენათესავებიან ისინი ერთმანეთსა თუ ჩვენთვის ცნობილ სახეობებს). დნმ-ის ნიმუშებში არსებული ეს გენები ზოგჯერ თანსაზოგადოებაში არსებული ორგანიზმების მეტაბოლურ სტრატეგიებზეც გვაძლევს ინფორმაციას.10

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.