اطلاعات عمومی
آرکی‌باکتری
تعریف آرکی‌باکتری
آرکی‌باکتری‌ها نوعی از ارگانیسم‌های تک‌سلولی هستند که باتوجه‌به تفاوت بسیار با سایر موجودات زنده، تبدیل به چالشی برای طبقه‌بندی حیات توسط دانشمندان شده‌اند.
پیش از کشف پیچیدگی‌های ژنتیکی و زیست مولکولی، دانشمندان قادر به تشخیص تفاوت‌های عمده بیوشیمیایی بین آرکی‌باکتری‌ها و باکتری‌های عادی نبودند و هر دو گروه را بخشی از فرمانروی ارگانیسم‌های تک‌سلولی در نظر می‌گرفتند. فرمانروها، روشی برای سازماندهی جانداران بر اساس ساختار سلولی آن‌هاست که به طور سنتی شامل حیوانات/جانوران (Animalia)، پلانیتیا (Planitia)، قارچ‌ها (Fungi)،پروتیستا (Protista) – برای یوکاریوت‌های تک‌سلولی – و مونرا (Monera) – که زمانی برای همه گونه‌های پروکاریوت‌ها در نظر گرفته می‌شد – می‌شود.
بااین‌حال، خیلی زود مطالعات ژنتیکی و بیوشیمیایی باکتری‌ها مشخص کرد که دسته‌ای از پروکاریوت‌ها وجود دارند که با باکتری‌های «مدرن» و در واقع با سایر اشکال موجودات زنده بسیار متفاوت هستند. این سلول‌های منحصربه‌فرد که در نهایت آرکی‌باکتری‌ها (archae) به معنای قدیمی، نام‌گذاری شدند. گمان می‌رود که آرکی‌باکتری‌ها، نسل‌های جدیدی از یک دودمان کهن از باکتری‌هایی باشند که در اطراف دریاهای عمیق و غنی از گوگرد تکامل یافته‌اند.
تجزیه‌وتحلیل پیچیده ژنتیکی و بیوشیمیایی منجر به ایجاد «درخت فیلوژنتیک زندگی» شده است که از مفهوم «حوزه‌ها» که مفهومی بزرگ‌تر و اساسی‌تر از فرمانرو است، برای تبیین تقسیمات موجودات زنده استفاده می‌کند.
به‌روزترین نسخه از این سیستم شامل یوکاریوت‌ها – حیوانات، گیاهان، قارچ‌ها و پروتیست‌ها – بوده و حوزه «یوکاریوتا» (Eukaryota)را تشکیل می‌دهند، شاخه‌های رایج‌تر و مدرن‌تر باکتری‌ها، حوزه پروکاریا (Prokarya) بوده و آرکی‌باکتری‌ها نیز حوزه آرکی (archae)را شامل می‌شوند.
کشف آرکی‌ها و تفاوت‌های منحصربه‌فرد آن برای دانشمندان بسیار جالب‌توجه است، زیرا بر این باورند که بیوشیمی منحصربه‌فرد آرکی‌باکتری‌ها می‌تواند چشم‌اندازی از نوع عملکرد حیات باستان ارائه دهد. برخی دانشمندان معتقدند که آرکی باکترهای ترموپلاسم (Thermoplasma) ممکن است در واقع اجداد هسته سلول‌های یوکاریوتیک کنونی باشند که گمان می‌رود از طریق فرایند اندوسیمبیوز (Endosymbiosis) یا درون همزیستی توسعه‌یافته باشند.
یکی دیگر از ویژگی‌های قابل‌توجه آرکی‌باکتری‌ها توانایی آنها برای زنده ماندن در محیط‌های افراطی، از جمله محیط‌های بسیار شور، بسیار اسیدی و بسیار گرم است. مشاهده شده است که آرکی‌باکتری‌ها قادر به تحمل دماهای بالای ۱۹۰ درجه فارنهایت (تنها بیست و دو درجه کمتر از نقطه‌جوش آب) و اسیدیته‌های بالای ۰٫۹ pH هستند.
آرکی‌باکتری‌ها با عمل انتقال افقی ژن‌ها، حتی ایده‌های دانشمندان در مورد چگونگی تعریف یک‌گونه را به چالش کشیده‌اند؛ انتقال افقی ژن، روشی است که ژن‌ها در طول زندگی از فردی به فرد دیگر منتقل می‌شوند. این امر تعیین ارتباط نزدیک سلول‌های مختلف را دشوار می‌کند. حتی درصورتی‌که سلول‌های آرکی‌باکتری‌ها دارای نوعی ترکیب پایدار از صفات معمول برای تعریف یک‌گونه باشند، بازهم تعریف گونه درمورد آنها با مشکل روبروست.
حوزه آرکی‌باکتری‌ها شامل گونه‌های هوازی و بی‌هوازی است که می‌توانند در محیط‌های عادی مانند خاک و همچنین در محیط‌های افراطی زندگی کنند.
ویژگی‌های آرکی‌باکتری‌ها
آرکی‌باکتری‌ها دارای ویژگی‌های به خصوصی هستند که در انواع سلولی مدرن دیده نمی‌شود. این ویژگی‌ها شامل موارد زیر هستند:
۱. شیمی غشای سلولی منحصربه‌فرد.
آرکی‌باکتری‌ها دارای غشای سلولی ساخته شده از فسفولیپیدهای متصل شده با اتر هستند، درحالی‌که باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها، غشای سلولی خود را از فسفولیپیدهای متصل شده با استر می‌سازند.
آرکی‌باکتری‌ها در غشای خود از قندی مشابه قند پپتیدوگلیکان مورداستفاده در غشای سلولی باکتری‌ها، استفاده می‌کنند.
۲. رونویسی منحصربه‌فرد ژنی
آرکی‌باکتری‌ها مانند باکتری‌ها دارای یک کروموزوم حلقوی هستند، اما رونویسی ژنی آنها شبیه به چیزی است که در هسته سلول‌های یوکاریوتی رخ می‌دهد.
این امر منجر به وضعیت عجیبی می‌شود؛ به این صورت که اکثر ژن‌های مربوط به اغلب عملکردهای زندگی، مانند تولید غشای سلولی، بیشتر در دو حوزه یوکاریا و باکتری‌ها مشترک هستند، اما ژن‌های دخیل در فرایند رونویسی ژن بیشتر در دو حوزه یوکاریا و آرکی‌ها مشترک هستند.
این امر باعث شده است که برخی از دانشمندان تصور کنند که سلول‌های یوکاریوتی از ادغام آرکی‌باکتری‌ها و باکتری‌ها، احتمالاً زمانی که یک آرکی باکتری شروع به درون زیستی در یک سلول باکتری کرد، به وجود آمده‌اند.
دانشمندان دیگر بر اساس یافته‌هایی از گونه‌ای از آرکی‌باکتری‌ها به نام لوکیاآرکتیا Lokiarcheota، بر این باورند که یوکاریوت‌ها مستقیماً از آرکی‌باکتری‌ها نشأت گرفته‌اند، زیرا لوکیاآرکتیا که حاوی برخی ویژگی‌هایی است که فقط در یوکاریوت‌ها دیده می‌شود.
هم چنین در آرکی‌باکتری‌ها کدهای ژنتیکی مختص یوکاریوت‌ها وجود دارد. تصور می‌شود که لوکیاآرکتیا ممکن است یک شکل انتقالی بین آرکی‌باکتری‌ها و جانداران یوکاریا باشد.
۳. فقط آرکی‌باکتری‌ها قادر به متانوژنز (نوعی تنفس بی‌هوازی با تولید متان) هستند.
آرکی‌باکتری‌هایی که از اشکال دیگر تنفس سلولی استفاده کنند نیز وجود دارند، اما سلول‌های تولیدکننده متان در باکتری‌ها یا یوکاریا یافت نمی‌شوند.
۴. تفاوت در RNA ریبوزومی آرکی‌باکتری‌ها با سایر جانداران حاکی از این است که اجداد آنها از هر دو حوزه باکتری و یوکاریا در گذشته‌های دور جدا شده‌اند.
انواع آرکی‌باکتری‌ها
به طور کل آرکی‌باکتری‌ها به سه نوع مختلف و بر اساس رابطه فیلوژنتیکی آنها (چقدر یکدیگر ارتباط نزدیک دارند) طبقه‌بندی می‌شوند و اعضای هر نوع تمایل به داشتن ویژگی‌های خاصی دارند. انواع اصلی آنها عبارت‌اند از:
۱. چشمه باستانیان Crenarchaeota که گروهی بسیار مقاوم در برابر حرارت هستند.
آنها پروتئین‌های ویژه و مواد بیوشیمیایی منحصربه‌فردی دارند که می‌توانند در دمای ۲۳۰ درجه فارنهایت فعالیت کنند و همچنین در محیط‌های بسیار اسیدی زنده بمانند.
بسیاری از گونه‌های این نوع از آرکی‌ها در چشمه‌های آب گرم و محل‌های عمیق دریا، جایی که آب توسط ماگمای زیر سطح زمین بیش از حد گرم شده است، زندگی می‌کنند.
یکی از تئوری‌های منشأ حیات بیان می‌دارد که زندگی ممکن است در ابتدا حول مناطق عمیق دریا، جایی که دمای بالا و مواد شیمیایی غیرمعمول می‌تواند منجر به تشکیل اولین سلول‌ها شود، آغاز شده است.
۲. پهن باستانیان Euryarchaeota قادر به زنده ماندن در زیستگاه‌های بسیار شور هستند. آنها همچنین قادر به تولید متان هستند که هیچ‌گونه ارگانیسم دیگری روی زمین قادر به انجام آن نیست. این نوع آرکی‌ها، متانوژن نامیده می‌شوند.
پهن باستانیان تنها شکل زنده شناخته شده هستند که می‌توانند تنفس سلولی را با استفاده از کربن به‌عنوان گیرنده الکترونی انجام دهند. این امر به آنها یک کنام اکولوژیکی مهم می‌بخشد، زیرا تجزیه ترکیبات کربن پیچیده به مولکول ساده متان، آخرین مرحله در تجزیه اکثر اشکال ارگانیسم‌های زنده است. بدون متانوژن‌ها، چرخه کربن زمین مختل می‌شود.
هر جا گاز متان توسط موجود زنده‌ای تولید شود، پهن باستانیان عهده‌دار انجام آن هستند. آرکی‌باکتری‌های متانوژن را می‌توان در باتلاق‌ها و تالاب‌ها یافت، یعنی جایی که آنها مسئول تولید گاز مرداب و بخشی از بوی منحصربه‌فرد آن هستند. در معده نشخوارکنندگانی مانند گاو، به‌منظور تجزیه قندهای موجود در مواد غذایی غیرقابل‌هضم توسط یوکاریوت‌ها نیز وجود دارند. برخی از متانوژن‌ها نیز در روده انسان زندگی می‌کنند و به همین طریق در هضم ترکیبات گیاهی کمک می‌کنند.
آنها همچنین می‌توانند در رسوبات اعماق دریا، جایی که حباب‌هایی از متان را در کف اقیانوس تولید می‌کنند، یافت شوند.
3.جوان باستانیان Korarchaeota از انواع کمتر شناخته شده از حوزه آرکی‌باکتری‌ها است و تصور می‌شود که از قدیمی‌ترین اعضای آنها باشد. درنتیجه احتمالاً قدیمی‌ترین موجودات زنده روی زمین محسوب می‌شوند.
جوان باستانیان را همچون چشمه باستانیان می‌توان در محیط‌های هیدروترمال (گرمابی) یافت. جوان باستانیان دارای ژن‌های مشترک بسیار با چشمه باستانیان و پهن باستانیان هستند، اما درعین‌حال ژن‌هایی را نیز دارا هستند که با هر دو گروه دیگر متفاوت هستند. این امر دانشمندان را به این نتیجه رساند که هر دو نوع دیگر آرکی‌باکتری‌ها (چشمه باستانیان و پهن باستانیان) ممکن است از یک جد مشترک مشابه با جوان باستانیان منشأ گرفته باشند.
جوان باستانیان در طبیعت به‌ندرت مشاهده می‌شوند؛ شاید به این دلیل که سایر اشکال مدرن‌تر از آرکی‌ها، برای زنده ماندن در محیط‌های جدید سازگارتر هستند. بااین‌حال، جوان باستانیان را می‌توان در چشمه‌های آب گرم، و قسمت‌های عمیق دریا یافت.
نمونه‌هایی از آرکی‌باکتری‌ها
لوکیاآرکتیا Lokiarcheota
لوکیاآرکتیا یک آرکی باکتری هیپرترموفیل (گرمادوست) است که در دریاهای عمیق و محلی به نام قلعه لوکی
(Loki’s Castle)کشف شده است. این آرکی باکتری به عقیده برخی دانشمندان، اهمیت تکاملی منحصربه‌فردی دارد.
لوکیاآرکتیا، ژنوم بسیار منحصربه‌فردی دارد. تقریباً ۲۶ درصد پروتئین آن در سایر آرکی‌باکتری‌ها وجود دارد، ۲۹ درصد پروتئین‌های آن مشابه پروتئین‌های موجود در باکتری‌هاست و ۳۲ درصد از ژن‌های لوکیاآرکتیا با هیچ پروتئین شناخته شده‌ای مطابقت ندارد و ۳٫۳ درصد از ژن‌های موجود در آن فقط با ژن‌های مخصوص یوکاریوت‌ها تطابق دارند.
ژن‌های یوکاریوتی بسیار موردتوجه دانشمندان قرار گرفته‌اند، زیرا ژن‌هایی هستند که به نظر می‌رسد پروتئین‌هایی را کد می‌کنند که یوکاریوت‌ها از آنها برای کنترل فعال شکل سلولی خود استفاده می‌کنند؛ از جمله پروتئین‌های اسکلت سلولی، پروتئین حرکتی اکتین و چندین پروتئین که در یوکاریوت‌ها مسئول تغییر شکل غشای سلولی هستند.
برخی از این ژن‌ها در فاگوسیتوز نقش دارند و ازاین‌جهت بسیار جالب‌توجه هستند، زیرا احتمالاً فرایند فاگوسیتوز توسط اجداد یوکاریوتیک برای بلع سلول‌های دیگر به‌منظور هم زیستی انجام شده و منجر به روابط درون هم زیستی بین سلول‌های یوکاریوتی و میتوکندری، کلروپلاست و هسته آنها شده است.
باتوجه‌به ژنوم منحصربه‌فرد لوکیاآرکتیا، این ایده مطرح می‌شود که این آرکی باکتری احتمالاً نزدیک‌ترین خویشاوند ما در میان پروکاریوت‌ها بوده و یک انتقال و جهش مهم از زندگی پروکاریوتی به یوکاریوتی است. این اتفاق ممکن است باعث تکامل حیوانات، گیاهان، قارچ‌ها و فرمانرو پروتیستا شده باشد. دانشمندان فکر می‌کنند که لوکیاآرکتیا و ما انسان‌ها احتمالاً جد مشترکی در حدود ۲ میلیارد سال پیش داشته‌ایم.
بااین‌وجود هنوز معلوم نیست که آیا این بدان معناست که یوکاریوت‌ها احتمالاً حول قسمت‌های عمیق دریا تکامل‌یافته‌اند یا اینکه اقوام لوکیاآرکتیا در سایر محیط‌ها پیش از تکامل به گونه پیشرفته‌تر یوکاریوتی‌ها، زندگی کرده باشند.
متانوبروی‌باکتراسمیتی Methanobrevibacter smithii
متانوبروی‌باکتراسمیتی، یک آرکی‌باکتر تولیدکننده متان است که در روده انسان زندگی می‌کند. این آرکی‌باکتر عضو پهن باستانیان بوده و به ما کمک می‌کند تا قندهای پیچیده گیاهی را تجزیه کنیم و انرژی اضافی را از غذایی که می‌خوریم استخراج کنیم.
میکروارگانیسم‌های موجود در روده ما – از جمله اعضای پهن باستانیان – رابطه پیچیده‌ای با سلامت ما دارند. برخی از مطالعات نشان می‌دهد که بسیاری از افراد مبتلا به چاقی و سرطان روده بزرگ دارای سطوح بالاتری از میانگین این جانداران در روده خود هستند. درحالی‌که مطالعات دیگر نشان می‌دهند که این آرکی‌ها به افرادی که مواد غذایی کافی دریافت نمی‌کنند، کمک می‌کنند تا انرژی بیشتری تولید کنند و همچنین برخی از انواع آنها از روده بزرگ در برابر ابتلا به سرطان محافظت می‌کنند.
اصطلاحات زیست‌شناسی مرتبط
حوزه Domain: بالاترین سطح طبقه‌بندی که در حال حاضر توسط زیست‌شناسان به رسمیت شناخته شده است و به تفاوت‌های گسترده بین سلول‌های یوکاریوت‌ها، باکتری‌ها و آرکی‌باکتری‌ها اشاره دارد.
فرمانرو Kingdom: سطحی از طبقه‌بندی ارگانیسم‌هاست که پایین‌تر از حوزه قرار می‌گیرد (زیرحوزه). قلمروها، یوکاریوت‌هایی مانند گیاهان و جانوران را بر اساس روابط فیلوژنتیکی آنها به گروه‌های مجزا تقسیم می‌کنند.
فیلوژنتیک Phylogenetics : مطالعه روابط تکاملی بین اشکال مختلف ارگانیسم‌های زنده است.
مطالعات بیشتر در بخش راهنمای علمی سایت
مترجم: مریم محجوب
