Rozdělení živé přírody: Archebakterie

Naši planetu obývá ohromné množství různě složitých organismů. Přesto mezi nimi můžeme vést dělící čáru. Na jedné straně zůstanou "mikrobi" s malou jednoduše stavěnou buňkou - bakterie a jim nepříbuzná leč podobná archea.

V živé přírodě jsou hlavní tzv.:

• nebuněčné organismy = viry
• kolonie jednobuněčných organismů - např. zelená řasa váleč koulivý
• mnohobuněčné organismy (rostliny, živočichové, houby) - živočišná buňka

Organismy se dělí na:

• prokaryotické = prvojaderné organismy - např. bakterie, sinice
• eukaryotické organismy = s pravým jádrem - např. prvoci - trepka

Otázka původu složitějších buněk, potažmo komplexních organismů, nedává vědcům spát. Výzkum čistě na základě genetických dat však má limity. Nikdy si například nemůžeme být jistí, jestli úseky genetické informace získané z prostředí nepatří jiné evoluční linii.

Jediným způsobem, jak záhadu rozseknout, tak patrně zůstává nález nejbližších žijících mikrobiálních příbuzných eukaryotických organismů. Tím se obloukem vracíme k linii archeí objevené před devíti lety na dně Atlantiku. Ta po svém nalezišti, horkém vývěru Lokiho hrad, a jeho „severské“ poloze v blízkosti Islandu dostala název Lokiarcheota.

Čtěte také: Třídění odpadu v České republice

Kamenem úrazu však je, že o těchto liniích máme pouze kusé informace založené na čtení genetického materiálu odebraného z mořských usazenin. Jinými slovy, až donedávna jsme neměli ani ponětí, jak tyto organismy vypadají a jaké navazují ve svém prostředí vztahy. To se však nyní mění.

Vědci uvádějí v rukopisu, který čeká v archivu bioRxiv na publikování odborným časopisem, že celý projekt zabral bezmála dvanáct let. Pokud se divíte, jak mohl výzkum trvat déle, než kolik času uplynulo od objevení studované skupiny, odpověď je nasnadě. Japonci se pokusili napodobit podmínky u podmořských vývěrů horkých vod nasycených metanem v mořské propadlině Nankai, aby mohli pěstovat a zkoumat místní organismy v laboratoři. Až později mezi organismy v aparatuře detekovali také Lokiarcheota.

Lokiarcheota totiž oproti mikrobům, kteří ochotně rostou na agarových plotnách, vykazují extrémně nízkou rychlost množení. Ani za ideálních podmínek, při kterých výzkumníci antibiotiky hubili konkurenční bakterie, ale Lokiarcheota nedosáhla vyšší rychlosti dělení než jednou za dva až tři týdny.

Vypěstovaný kmen lokiarcheot dostal jméno Prometheoarchaeum syntrophicum. Jsou to malé kulovité buňky bez nápadných organel vyhledávající bezkyslíkatá prostředí. Z tvarového hlediska jsou ale překvapivě komplexní. Vytvářejí dlouhé, často větvené, výhřezy a řetízky puchýřků.

Prometheoarchaeum se může chlubit celou řadou genů ovlivňujících fungování membrán a vytváření váčků či buněčného podpůrného lešení, které jinak nalezneme pouze u eukaryot. Z evolučního hlediska není bez zajímavosti, že ke svému růstu Prometheoarchaeum potřebuje symbiotického partnera - buď bakterii Halodesulfovibrio, nebo archea Methanogenium.

Čtěte také: Rozdělení přístřešků v přírodě

Na základě těchto objevů japonští badatelé formulovali novou teorii, jak se mohly vyvinout eukaryotické buňky. Na počátku podle nich stál podobný symbiotický vztah, jaký pozorujeme u prometheoarchea. Archeální předkové eukaryot se posouvali usazeninami k hranici mezi kyslíkatým a bezkyslíkatým prostředím - právě sem totiž dopadalo nejvíce živin. Ve stejných vrstvách ale začal naše předky ohrožovat toxický kyslík.

Větší účinnosti dosahovala tato spolupráce v aspoň polouzavřených prostředích vymezených buněčnými výrůstky. Předkové eukaryot tak mohli zapojit symbionty do vlastního těla i bez energeticky náročného pohlcování materiálu využívaného dnešními prvoky.

Zda eukaryoty vznikly tímto způsobem, ukážou až další studie. Japonští výzkumníci pěstují i ostatní linie ze skupiny Asgard a několik dalších dosud nekultivovaných mikrobiálních organismů.

Uvnitř našeho viditelného světa živé přírody existuje ještě jeden, větší, který ten náš prostupuje skrznaskrz a dosahuje ještě daleko za něj. Není ani trochu nadsázkou, že veškerý viditelný život je jenom takové pozlátko na tajuplném a divokém světě bakterií. Bakterie a samozřejmě také archebakterie si řeší především svoje záležitosti. Kromě toho velice často soužijí s ostatními organismy, ať už v dobrém nebo ve zlém.

Mark J. Mandel z University of Wisconsin v Madisonu nedávno vedl výzkum, který sledoval symbiózy zajímavé gramnegativní bakterie z vývojové linie gama proteobakterií jménem Vibrio fischeri, jinak také méně brutálního příbuzného nám velice dobře známého původce cholery.

Čtěte také: Faktory ceny lakování

V severním Pacifiku žije tohle svítící vibrio mimo jiné ve dvou značně odlišných hostitelích. Jedním z nich je maličká sepiola kropenatá (Euprymna scolopes, Hawaiian bobtail squid), která hostí vibria v rafinovaném maskovacím zařízení. Sepioly jsou subtilní noční lovci, kteří se riskantně prohánějí poblíž hladiny oceánu.

Jejich světelný orgán vytváří iluzi měsíčního svitu a tím je maskuje před většími lovci z hlubin. Druhým hostitelem je někdo úplně jiný, trnouš japonský (Monocentris japonica, Japanese pinecone fish), což je ryba z řádu pilonošů (Beryciformes). Trnouš má vibria ve světelném orgánu ve své čelisti a tímto světlem si svítí při nočním prohledávání temných koutů útesů. Zároveň si světélkováním láká přímo do pusy mořský zooplankton.

Jak je ale možné, že jedna a ta samá bakterie žije ve dvou tak rozdílných zvířatech? Mandel se svými kolegy přečetl genomy obou kmenů vibrií a překvapivě zjistil, že jsou neuvěřitelně podobné. Přestože vibria ze sepiol dělí od soukmenovců z trnoušů milióny let evoluce, jejich genomy zůstaly zakonzervované prakticky v původní podobě.

Jeden významný rozdíl se ale nakonec přece jen našel. Kmen ze sepiol vlastní gen pro kinázu RscS, který reguluje skupinu dalších genů vytvářejících biofilm, díky němuž vibria kolonizují světelné orgány svých hostitelů. Podle autorů vibria nejprve obsadila čelisti trnoušů. Pak do linie vibrií vstoupil nový regulační gen a díky němu se vibria mohla vypravit do sepiol, které se objevily v Pacifiku nejméně před 30 milióny let.

Mimo jiné to mění i pohled na patogenicitu zlých bakterií. Až doposud převládal názor, že k tomu, aby se bakterie stala zločincem, musí získat celý soubor potřebných genů. To ale podle všeho není ani zdaleka nutné. Stačí jeden šikovný regulační gen, který novým způsobem zapojí už dávno přítomné geny a z bakterie se mrknutím oka může stát čilý symbiont nebo taky vražedný přízrak.

Člověk je integrální součástí přírody. Vyvíjel se v kontextu přírodních podmínek, které utvářely jeho současnou individuální i společenskou podobu. Zásadní vliv na jeho evoluci měly a mají mikroorganismy. Evoluční spojení s mikrobiálním světem je natolik intenzivní, že lidský genom obsahuje sekvence nepochybně virového původu, které jsou pro fungování např. specifické imunitní soustavy zásadní.

Do buněk evolučních předchůdců člověka pronikly archebakterie, které jsou v našich buňkách přítomny jako endosymbiotické mitochondrie poskytující buňkám nejvýznamnější zdroj energie. Každý jedinec si v průběhu života vytváří složitá mikrobiální společenstva, která osidlují především jeho kožní i slizniční povrchy a jsou přítomna prakticky ve všech tělních oddílech.

Člověk byl a je permanentně vystaven mikrobiálnímu světu ve svém životním prostředí. Zásadní úlohu v této expozici sehrávají mikroorganismy obsažené v potravě. V životním prostředí člověka se vyskytuje řada mikrobiálních podnětů, které zdánlivě nemají bezprostřední vliv na jeho život, v evolučním kontextu ho však zásadně formují.

Patogenní viry, bakterie, houby a parazité byli hlavní selekční silou v evoluci člověka. Přežili a rozmnožili se pouze ti jedinci, kteří selekčnímu tlaku odolali. Z evolučního pohledu teprve před velmi krátkou dobou zhruba dvou set let si člověk osvojil postupy, jak se vyrovnat se selekčním tlakem nejvýznamnějších patogenů.

Vyvinul a rozvinul totiž metody aktivní imunizace, které jsou v současné době globálně aplikovány. Chrání před působením nejvýznamnějších patogenů. Jsou natolik účinné, že vedly v případě varioly k eradikaci virového původce onemocnění z lidské populace.

Aktivní imunizace, pokud bude populačně důsledně provedena, může vést k eradikaci i dalších závažných lidských patogenů. Bez nadsázky lze aktivní imunizaci označit za jeden z nejvýznamnějších civilizačních výdobytků.

Objev a zavedení látek s antibakteriálními účinky, především antibiotik přibližně před 70 lety, znamenaly další významný nástroj k omezení negativních dopadů bakteriálních patogenů na člověka. Evoluční procesy však vedou přirozeně ke vzniku rezistentních bakteriálních kmenů.

Vznikají obavy o perspektivu těchto postupů po desetiletí úspěšně používaných ke kontrole patogenních bakterií. Zapomínat nesmíme na zavedení postupů asepse a sterility v medicíně, které zde umožnily obrovský pokrok.

Mikrobiální svět je také využíván po celou historii lidstva pro různé praktické účely. Jedná se především o mikroorganismy, které zkvašují potraviny, např. mléko, ovocné šťávy, a uplatňují se při výrobě nápojů a kvašených potravin.

Biomedicína se po dlouhá desetiletí oprávněně soustředí na patogenní mikroorganismy. Bohužel to vytváří názor, že mikrobiální svět je vůči člověku jako jednotlivci i lidské populaci nepřátelský a je třeba s ním bojovat všemi prostředky. Tento názor je zcela neopodstatněný. Patogenní mikroorganismy představují pouze nepatrnou část mikrobiálního světa.

Drtivá většina mikrobiálního světa není pro člověka bezprostředním rizikem. O mnohých přímých nebo zprostředkovaných benefitech těchto mikrobů se postupně dozvídáme. S jistotou je už nyní možné prohlásit, že je lépe „být s mikroby, než být proti nim“.

Přirozená mikrobiální společenstva, která nás osidlují, můžeme označit za „staré přátele“, kteří nám poskytují mnoho nenahraditelných podnětů ovlivňujících fungování všech tělních soustav. Vyjádřit se budeme moci pouze k jejich vlivu na imunitní systém, vznik a rozvoj individuální imunitní reaktivity.

Velmi jednoduše se tím myslí negativní dopad ztráty přirozeného kontaktu s mikrobiálními podněty, k níž došlo z evolučního pohledu během okamžiku, tj. v průběhu asi tří generací. V tomto časovém horizontu jsme naopak skokově vystaveni nejrůznějším škodlivinám charakteru xenobiotik ve vnějším prostředí, stravě a podobně.

Mikrobi představují svými biologickými vlastnostmi velmi heterogenní množinu. Jedním z kritérií může být jejich velikost. Mikrobi jsou obvykle malí tak, že je nelze rozeznat pouhým okem. Původně byli objeveni v 17. století pomocí jednoduchých mikroskopů. Při mikroskopické analýze nebylo zřejmé, že se jedná o živé organismy.

Kritériem života je přítomnost nukleových kyselin, jež představují „konstrukční rámec“ pro množení organismů. Výjimkou jsou priony, které se prokazatelně zmnožují, aniž by k tomu využívaly nukleové kyseliny. Nejjednoduššími mikroorganismy, které mají všechny atributy živého, jsou viry.

I viry mají v porovnání s ostatními mikroorganismy unikátní vlastnosti. Především k množení potřebují živou buňku, kdy využívají její aparát. Mimo živou buňku se chovají jako chemické entity, ribo‑ nebo deoxyribonukleoproteiny. Z evolučního hlediska mohly vzniknout až poté, kdy na Zemi byly k dispozici hostitelské buňky.

Podle současných dokladů došlo ke vzniku života na Zemi před asi 3,95 miliardami let. Je formulována jednotka živého označovaná jako LUCA (last universal common ancestor), z níž došlo k diverzifikaci všeho živého na planetě Zemi [4]. Při vývoji probíhal a probíhá horizontální přenos genetické informace, která představuje významný motor evoluce [5].

V těchto horizontálních přenosech genetické informace sehrávaly a sehrávají značnou úlohu viry včetně bakteriofágů a přenos extrachromozomálních bakteriálních replikonů označovaných jako plazmidy. Buňky všech organismů jsou potenciálně infikovatelné virovými agens. Výjimkou nejsou ani lidské buňky.

Bakterie představují mimořádně heterogenní množinu jednobuněčných živých organismů, které s ohledem na jejich strukturu označujeme jako prokaryota. Jejich vznik umožnil evoluci života na Zemi nebo k ní přinejmenším přispěl.

Bakterie mají velmi rozmanité metabolické schopnosti, a díky tomu mohou obsazovat prakticky všechny niky na planetě. Bakterie jsou schopny žít a rozmnožovat se i v podmínkách, kde jiné formy života žít nemohou. Hovoříme o tzv. extremofilních bakteriích. Jsou schopny jako zdroj živin a energie využívat anorganické sloučeniny.

Energetickým zdrojem pro drtivou část života na Zemi je sluneční záření. Jeho konverzi do formy organických sloučenin využitelné pro živé systémy zajišťují procesy fotosyntézy. Schopnost fotosyntézy mají některé bakterie.

Převážná část fotosyntézy je však zprostředkována jednobuněčnými řasami a vícebuněčnými zelenými organismy, především rostlinami. Fotosyntéza ve vícebuněčných organismech je zajišťována plastidy, které jsou endosymbiotickými mikroorganismy, jež evolučně, podobně jako mitochondrie, pronikly do těchto organismů.

Díky fotosyntéze vznikají organické látky, jednou z významných je celulóza. Ta je pro většinu organismů bezprostředně nevyužitelná. Její konverzi do stravitelných forem zajišťují složitá mikrobiální společenství, která jsou např. u přežvýkavců přítomna v jejich žaludku.

Veškerá organická hmota musí být nakonec rozložena. Rozklad živé hmoty zajišťují mikroorganismy. Rozkladem vzniklé živiny obohacují půdu, vodu a zajišťují koloběh života. Fosilní paliva, která jsou stále hlavním zdrojem energie pro lidstvo, mají rovněž původ ve fotosyntéze.

Viry a bakterie jsou svým složením velmi jednoduché, pokud je porovnáme s eukaryotními buňkami. Není tedy překvapením, že se staly široce využívanými experimentálními modely v biologii. S jejich pomocí byly především po druhé světové válce položeny základy molekulární biologie.

Byla jimi doložena úloha DNA jako molekuly kódující genetickou informaci. Byly odvozeny základní biologické procesy spojené s replikací nukleových kyselin, jejich transkripcí a trans­la­cí. Studium bakteriofágů a bakterií dalo základ znalostem regulací na molekulární úrovni.

Zatím bylo kultivováno přibližně 3 000 bakteriálních druhů relevantních pro člověka. Jejich identifikace a pojmenování mají přesné základy v taxonomii a nomenklatuře. Lékaři jsou permanentně vystaveni změnám „v názvosloví“ bakteriálních původců. Tyto změny vycházejí z pokroku v poznávání bakteriálního světa.

Naše znalosti o bakteriích zásadně v posledních asi dvaceti letech proměňují postupy molekulární biologie. Těmi jsou postupně definovány genetické základy bakteriálních druhů. Připomínáme, že prvním geneticky plně zmapovaným bakteriálním druhem byla v roce 1995 patogenní bakterie Haemophilus influenzae.

Pro genomovou identifikaci bakterií se používá analýza 16S rRNA. V databázi GTDB (Genome Taxonomy Data Base) jsou v současnosti k dispozici údaje o desítkách tisíc bakteriálních druhů, které nejsou zatím kultivovatelné, a nemohou být tedy pojmenovány podle zásad uvedených výše.

Je fascinující, že podle kvalifikovaných odhadů přitom máme zatím popsáno pouze kolem 0,5 % bakteriálních druhů. Jsou navrhovány způsoby, jak tyto geneticky určené nekultivovatelné bakterie pojmenovat.

Biochemické procesy v bakteriálních buňkách jsou velmi rozmanité, pokud porovnáme různé bakteriální taxony. Mnohé z nich se zásadně odlišují od lidských biochemických drah. Mikroorganismy, bakterie, mohou vhodným způsobem doplňovat biochemický, fyziologický a metabolický potenciál člověka.

tags: #rozdeleni #zive #prirody #arche #bakterie

Oblíbené příspěvky:

• Přírodní poklady Mariánských Lázní
• Inspirace pro ekologickou výchovu
• Snižování emisí NH3 v zemědělství
• Edukativní show o přírodě
• Normy pro kotle na tuhá paliva