22.1: Utofauti wa Prokaryotic
- Page ID
- 176756
Ujuzi wa Kuendeleza
- Eleza historia ya mabadiliko ya prokaryotes
- Jadili sifa za kutofautisha za extremophiles
- Eleza kwa nini ni vigumu kwa prokaryotes ya utamaduni
Prokaryotes ni ubiquitous. Wao hufunika kila uso unaoonekana ambapo kuna unyevu wa kutosha, na wanaishi na ndani ya vitu vingine vilivyo hai. Katika mwili wa kawaida wa binadamu, seli za prokaryotic zinazidi seli za mwili wa binadamu kwa karibu kumi hadi moja. Wao hujumuisha vitu vingi vya maisha katika mazingira yote. Baadhi prokaryotes kustawi katika mazingira ambayo ni ukarimu kwa ajili ya vitu vingi hai. Prokaryotes husafisha virutubisho - vitu muhimu (kama vile kaboni na nitrojeni) -na huendesha mageuzi ya mazingira mapya, ambayo baadhi yake ni ya asili na mengine yanadamu. Prokaryotes wamekuwa duniani tangu muda mrefu kabla ya maisha ya multicellular kuonekana.
Prokaryotes, Wakazi wa Kwanza wa Dunia
Maisha yalianza lini na wapi? Hali gani duniani wakati maisha yalianza? Prokaryotes walikuwa aina ya kwanza ya maisha duniani, na walikuwepo kwa mabilioni ya miaka kabla ya mimea na wanyama kuonekana. Dunia na mwezi wake hufikiriwa kuwa na umri wa miaka bilioni 4.54. Makadirio haya yanategemea ushahidi kutoka kwa dating ya meteorite nyenzo pamoja na vifaa vingine vya substrate kutoka Dunia na mwezi. Dunia ya mapema ilikuwa na angahewa tofauti sana (ilikuwa na oksijeni chini ya masi) kuliko ilivyo leo na ilikuwa chini ya mionzi kali; hivyo, viumbe vya kwanza vingestawi pale walikohifadhiwa zaidi, kama vile katika kina cha bahari au chini ya uso wa Dunia. Kwa wakati huu pia, shughuli za volkeno kali zilikuwa za kawaida duniani, hivyo inawezekana kwamba viumbe hivi vya kwanza-prokaryotes ya kwanza-vilibadilishwa na joto la juu sana. Dunia ya mapema ilikuwa inakabiliwa na mlipuko wa kijiolojia na mlipuko wa volkano, na ilikuwa chini ya bombardment na mionzi ya mutagenic kutoka jua. Viumbe vya kwanza vilikuwa prokaryotes ambazo zinaweza kuhimili hali hizi ngumu.
mikeka ya microbial
Mikeka ya microbial au biofilms kubwa inaweza kuwakilisha aina za mwanzo za maisha duniani; kuna ushahidi wa kisukuku wa kuwepo kwao kuanzia takriban miaka bilioni 3.5 iliyopita. Mkeka wa microbial ni karatasi ya layered ya prokaryotes (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)) ambayo inajumuisha zaidi bakteria, lakini pia archaea. mikeka Microbial ni sentimita chache nene, na wao kawaida kukua ambapo aina tofauti ya vifaa interface, hasa juu ya nyuso unyevu. Aina mbalimbali za prokaryotes ambazo zinawajumuisha hufanya njia tofauti za kimetaboliki, na hiyo ndiyo sababu ya rangi zao mbalimbali. Prokaryotes katika kitanda cha microbial hufanyika pamoja na dutu ya fimbo kama gundi ambayo huweka iitwayo tumbo la ziada.
Mikeka ya kwanza ya microbial inawezekana ilipata nishati zao kutoka kwa kemikali zilizopatikana karibu na matundu ya hydrotherma Vent ya hydrothermal ni kuvunjika au fissure katika uso wa Dunia ambayo hutoa maji yenye joto la joto. Pamoja na mageuzi ya usanisinuru takriban miaka bilioni 3 iliyopita, baadhi ya prokaryotes katika mikeka ya microbial walikuja kutumia chanzo cha nishati kilichopatikana zaidi-mwanga-ambapo wengine bado walikuwa wanategemea kemikali kutoka matundu ya hydrothermal kwa nishati na chakula.
Stromatolites
Mikeka ya microbial iliyosababishwa inawakilisha rekodi ya kwanza ya maisha duniani. Stromatolite ni muundo wa sedimentary uliofanywa wakati madini yanapotoka nje ya maji na prokaryotes katika kitanda cha microbial (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Stromatolites huunda miamba iliyopambwa iliyofanywa kwa carbonate au silicate. Ingawa stromatolites wengi ni mabaki ya zamani, kuna maeneo duniani ambapo stromatolites bado wanaunda. Kwa mfano, kuongezeka stromatolites wamepatikana katika Anza-Borrego Jangwa State Park katika San Diego County, California.
Anga ya Kale
Ushahidi unaonyesha kwamba wakati wa miaka bilioni mbili za kwanza za kuwepo kwa dunia, angahewa ilikuwa anoxiki, maana yake hapakuwa na oksijeni ya molekuli. Kwa hiyo, viumbe wale tu ambao wanaweza kukua bila oksijeni— viumbe anaerobic - walikuwa na uwezo wa kuishi. Viumbe vya autotrophic vinavyobadilisha nishati ya jua katika nishati ya kemikali huitwa phototrophs, na walionekana ndani ya miaka bilioni moja ya malezi ya Dunia. Kisha, cyanobacteria, pia inajulikana kama mwani wa bluu-kijani, ilibadilika kutoka phototrophs hizi rahisi miaka bilioni moja baadaye. Cyanobacteria (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) ilianza oksijeni ya anga. Kuongezeka kwa oksijeni ya anga kuruhusiwa maendeleo ya ufanisi zaidi O 2 -kutumia njia catabolic. Pia ilifungua ardhi kwa kuongezeka kwa ukoloni, kwa sababu baadhi ya O 2 inabadilishwa kuwa O 3 (ozoni) na ozoni inachukua kwa ufanisi mwanga wa ultraviolet ambayo ingeweza kusababisha mabadiliko mabaya katika DNA. Hatimaye, ongezeko la viwango vya O 2 liliruhusu mageuzi ya aina nyingine za maisha.
Microbes Ni Adaptable: Maisha katika mazingira ya wastani na uliokithiri
Viumbe vingine vimeanzisha mikakati inayowawezesha kuishi hali ngumu. Prokaryotes kustawi katika aina kubwa ya mazingira: Baadhi kukua katika mazingira ambayo inaweza kuonekana kawaida sana kwetu, wakati wengine ni uwezo wa kustawi na kukua chini ya hali ambayo kuua mmea au mnyama. Karibu prokaryotes zote zina ukuta wa seli, muundo wa kinga unaowawezesha kuishi katika hali zote za hyper- na hypo-osmotic. Baadhi ya bakteria ya udongo wanaweza kuunda endospores zinazopinga joto na ukame, na hivyo kuruhusu viumbe kuishi mpaka hali nzuri itakaporudi. Mabadiliko haya, pamoja na wengine, huruhusu bakteria kuwa fomu nyingi za maisha katika mazingira yote ya duniani na majini.
Bakteria nyingine na archaea zinachukuliwa kukua chini ya hali kali na huitwa extremophiles, maana yake ni “wapenzi wa extremes.” Extremophiles wamepatikana katika kila aina ya mazingira: kina cha bahari, chemchemi za moto, Artic na Antarctic, katika maeneo kavu sana, ndani ya Dunia, katika mazingira magumu ya kemikali, na katika mazingira ya juu ya mionzi (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)), tu kutaja wachache. Viumbe hivi hutupa ufahamu bora wa utofauti wa prokaryotic na kufungua uwezekano wa kupata aina mpya za prokaryotic ambazo zinaweza kusababisha ugunduzi wa madawa mapya ya matibabu au kuwa na matumizi ya viwanda. Kwa sababu wana marekebisho maalumu ambayo huwawezesha kuishi katika hali mbaya, extremophiles nyingi haziwezi kuishi katika mazingira ya wastani. Kuna makundi mengi ya extremophiles: Wao ni kutambuliwa kulingana na hali ambayo wao kukua bora, na makazi kadhaa ni uliokithiri kwa njia nyingi. Kwa mfano, ziwa la soda ni chumvi na alkali, hivyo viumbe wanaoishi katika ziwa la soda lazima iwe alkaliphiles na halophiles (Jedwali\(\PageIndex{1}\)). Extremophiles nyingine, kama viumbe radiosistant, hawapendi mazingira uliokithiri (katika kesi hii, moja na viwango vya juu vya mionzi), lakini wamebadilishwa ili kuishi ndani yake (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).
Aina ya Extremophile | Masharti ya Ukuaji bora |
---|---|
Acidophiles | pH 3 au chini |
Alkalifili | pH 9 au juu |
Thermophiles | Joto 60—80 °C (140—176 °F) |
Hyperthermophiles | Joto 80—122 °C (176—250 °F) |
Psychrophiles | Joto la -15-10 °C (5-50 °F) au chini |
Halophiles | Chumvi mkusanyiko wa angalau 0.2 M |
Waosmofili | High sukari mkusanyiko |
Prokaryotes katika Bahari ya Chumvi
Mfano mmojawapo wa mazingira magumu sana ni Bahari ya Chumvi, beseni ya hypersaline ambayo iko kati ya Yordani na Israeli. Mazingira ya Hypersaline kimsingi hujilimbikizia Katika Bahari ya Chumvi, mkusanyiko wa sodiamu ni mara 10 zaidi kuliko ile ya maji ya bahari, na maji yana viwango vya juu vya magnesiamu (karibu mara 40 zaidi kuliko katika maji ya bahari) ambayo ingekuwa sumu kwa vitu vingi vilivyo hai. Chuma, kalsiamu, na magnesiamu, vipengele vinavyounda ions divalent (Fe 2+, Ca 2+, na Mg 2+), huzalisha kile kinachojulikana kama maji “ngumu”. Kuchukuliwa pamoja, mkusanyiko mkubwa wa cations divalent, pH tindikali (6.0), na mionzi ya jua kali flux hufanya Bahari ya Chumvi kuwa ya kipekee, na ya kipekee ya uadui, mazingira 1 (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).
Ni aina gani ya prokaryotes tunayopata katika Bahari ya Chumvi? Mikeka ya bakteria yenye uvumilivu sana ni pamoja na Halobacterium, Haloferax volcanii (ambayo hupatikana katika maeneo mengine, si tu Bahari ya Chumvi), Halorubrum sodomense, na Halobaculum gomorrense, na Archaea Haloarcula marismortui, miongoni mwa wengine.
Prokaryotes Unculturable na Serikali inayoweza kutumiwa lakini isiyo ya utamaduni
Microbiologists kawaida kukua prokaryotes katika maabara kwa kutumia sahihi utamaduni kati zenye virutubisho vyote zinahitajika na viumbe lengo. Ya kati inaweza kuwa kioevu, mchuzi, au imara. Baada ya muda wa kuchanganya kwenye joto la kulia, kuna lazima iwe na ushahidi wa ukuaji wa microbial (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Mchakato wa kukua bakteria ni ngumu na ni moja ya uvumbuzi mkubwa wa sayansi ya kisasa. Daktari wa Ujerumani Robert Koch anahesabiwa kwa kugundua mbinu za utamaduni safi, ikiwa ni pamoja na kudanganya na kutumia vyombo vya habari vya ukuaji. Msaidizi wake Julius Petri alinunua sahani ya Petri ambayo matumizi yake yanaendelea katika maabara ya leo. Koch alifanya kazi hasa na bakteria ya kifua kikuu ya Mycobacterium inayosababisha kifua kikuu na kuendeleza postulates kutambua viumbe vinavyosababisha magonjwa ambayo yanaendelea kutumika sana katika jamii ya matibabu. Postulates ya Koch ni pamoja na kwamba kiumbe kinaweza kutambuliwa kama sababu ya ugonjwa wakati iko katika sampuli zote zilizoambukizwa na haipo katika sampuli zote zenye afya, na kinaweza kuzaliana na maambukizi baada ya kupandwa mara nyingi. Leo hii, tamaduni zinabaki chombo cha msingi cha uchunguzi katika dawa na maeneo mengine ya biolojia ya molekuli.
Baadhi ya prokaryotes, hata hivyo, hawawezi kukua katika mazingira ya maabara. Kwa kweli, zaidi ya asilimia 99 ya bakteria na archaea ni unculturable. Kwa sehemu kubwa, hii ni kutokana na ukosefu wa ujuzi kuhusu nini cha kulisha viumbe hawa na jinsi ya kukua; wana mahitaji maalum ya ukuaji ambayo bado haijulikani kwa wanasayansi, kama vile wanaohitaji micronutrients maalum, pH, joto, shinikizo, sababu za ushirikiano, au ushirikiano metabolites. Bakteria zingine haziwezi kulimwa kwa sababu zinawajibika vimelea vya intracellular na haziwezi kupandwa nje ya kiini cha jeshi.
Katika hali nyingine, viumbe vya utamaduni havikuwepo chini ya hali ya shida, ingawa viumbe sawa vinaweza kupandwa hapo awali. Viumbe hivyo ambavyo haviwezi kulimwa lakini havikufa viko katika hali inayoweza kutambuliwa (VBNC). Hali ya VBNC hutokea wakati prokaryotes hujibu matatizo ya mazingira kwa kuingia hali ya dormant ambayo inaruhusu maisha yao. Vigezo vya kuingia katika hali ya VBNC hazieleweki kabisa. Katika mchakato unaoitwa ufufuo, prokaryote inaweza kurudi kwenye maisha “ya kawaida” wakati hali ya mazingira inaboresha.
Je, hali ya VBNC ni njia isiyo ya kawaida ya kuishi kwa prokaryotes? Kwa kweli, wengi wa prokaryotes wanaoishi katika udongo au katika maji ya bahari hawapatikani. Imesemekana kuwa sehemu ndogo tu, labda asilimia moja, ya prokaryotes inaweza kukuzwa chini ya hali ya maabara. Ikiwa viumbe hawa hawapatikani, basi inajulikaje kama wanapo na hai? Wataalamu wa microbiolojia hutumia mbinu za Masi, kama vile mmenyuko wa mnyororo wa polymerase (PCR), ili kukuza sehemu zilizochaguliwa za DNA za prokaryotes, kuonyesha kuwepo kwao. Kumbuka kwamba PCR inaweza kufanya mabilioni ya nakala za sehemu ya DNA katika mchakato unaoitwa amplification.
Ekolojia ya Biofilms
Mpaka miongo michache iliyopita, microbiologists kutumika kufikiria prokaryotes kama vyombo pekee wanaoishi mbali. Mfano huu, hata hivyo, hauonyeshi mazingira ya kweli ya prokaryotes, ambayo wengi wanapendelea kuishi katika jamii ambapo wanaweza kuingiliana. Biofilm ni jamii microbial (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)) uliofanyika pamoja katika tumbo gummy-textured ambayo ina kimsingi ya polysaccharides siri na viumbe, pamoja na baadhi ya protini na asidi nucleic. Biofilms kukua masharti ya nyuso. Baadhi ya biofilms zilizojifunza vizuri zinajumuisha prokaryotes, ingawa biofilms ya vimelea pia imeelezewa pamoja na baadhi yenye mchanganyiko wa fungi na bakteria.
Biofilms zipo karibu kila mahali: zinaweza kusababisha kufungwa kwa mabomba na kwa urahisi kutawala nyuso katika mazingira ya viwanda. Katika hivi karibuni, kuzuka kwa kiasi kikubwa cha uchafuzi wa bakteria wa chakula, biofilms zimekuwa na jukumu kubwa. Pia hutawala nyuso za nyumbani, kama vile counters za jikoni, bodi za kukata, kuzama, na vyoo, pamoja na maeneo kwenye mwili wa binadamu, kama vile nyuso za meno yetu.
Ushirikiano kati ya viumbe vinavyojaa biofilm, pamoja na mazingira yao ya kinga ya exopolysaccharidic (EPS), hufanya jamii hizi kuwa imara zaidi kuliko kuishi bure, au planktonic, prokaryotes. Dutu yenye utata ambayo inashikilia bakteria pamoja pia hujumuisha antibiotics nyingi na viini, na kufanya bakteria ya biofilm kuwa ngumu zaidi kuliko wenzao wa planktonic. Kwa ujumla, biofilms ni vigumu sana kuharibu kwa sababu ni sugu kwa aina nyingi za kawaida za sterilization.
Sanaa Connection
Ikilinganishwa na bakteria zinazozunguka bure, bakteria katika biofilms mara nyingi huonyesha kuongezeka kwa upinzani dhidi ya antibiotics na sabuni. Kwa nini unafikiri hii inaweza kuwa kesi?
Muhtasari
Prokaryotes ilikuwepo kwa mabilioni ya miaka kabla ya mimea na wanyama kuonekana. Moto chemchem na matundu hydrothermal inaweza kuwa mazingira ambayo maisha alianza. Mikeka ya microbial inadhaniwa kuwakilisha aina za mwanzo za maisha duniani, na kuna ushahidi wa mafuta ya uwepo wao kuhusu miaka bilioni 3.5 iliyopita. Mkeka wa microbial ni karatasi ya layered ya prokaryotes ambayo inakua kwenye interfaces kati ya aina tofauti za vifaa, hasa kwenye nyuso za unyevu. Katika miaka ya kwanza ya bilioni 2, anga ilikuwa anoxic na viumbe vya anaerobic tu waliweza kuishi. Cyanobacteria ilibadilika kutoka phototrophs mapema na kuanza oksijeni ya anga. Kuongezeka kwa mkusanyiko wa oksijeni kuruhusiwa mageuzi ya aina nyingine za maisha. Mikeka ya microbial iliyosababishwa huitwa stromatolites na inajumuisha miundo ya organo-sedimentary iliyoundwa na mvua ya madini na prokaryotes. Wao huwakilisha rekodi ya kwanza ya mafuta ya maisha duniani.
Bakteria na archaea hukua karibu kila mazingira. Wale wanaoishi chini ya hali mbaya huitwa extremophiles (wapenzi uliokithiri). Baadhi ya prokaryotes haiwezi kukua katika mazingira ya maabara, lakini hawakufa. Wao ni katika hali inayoweza kutumiwa lakini isiyo ya utamaduni (VBNC). Hali ya VBNC hutokea wakati prokaryotes inapoingia hali ya dormant kwa kukabiliana na matatizo ya mazingira. Prokaryotes nyingi ni za kijamii na wanapendelea kuishi katika jamii ambako mwingiliano unafanyika. Biofilm ni jumuiya ya microbial iliyofanyika pamoja katika tumbo la gummy-textured.
Sanaa Connections
Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Ikilinganishwa na bakteria ya bure, bakteria katika biofilms mara nyingi huonyesha upinzani ulioongezeka kwa antibiotics na sabuni. Kwa nini unafikiri hii inaweza kuwa kesi?
- Jibu
-
Matrix ya ziada na safu ya nje ya seli hulinda bakteria ya ndani. Ukaribu wa seli pia huwezesha uhamisho wa jeni lateral, mchakato ambao jeni kama vile jeni za upinzani wa antibiotiki huhamishwa kutoka bakteria moja hadi nyingine. Na hata kama uhamisho wa jeni haufanyiki, bakteria moja inayozalisha exo-enzyme ambayo huharibu antibiotic inaweza kuokoa bakteria jirani.
maelezo ya chini
- 1 Bodaker, I, Itai, S, Suzuki, MT, Feingersch, R, Rosenberg, M, Maguire, ME, Shimshon, B, na wengine. Kulinganisha jamii genomics katika Bahari ya Chumvi: mazingira inazidi uliokithiri. ISME Journal 4 (2010): 399—407, doi:10.1038/ismej.2009.141. kuchapishwa online 24 Desemba 2009.
faharasa
- asidophille
- viumbe na pH mojawapo ya ukuaji wa tatu au chini
- alkalifili
- viumbe na pH mojawapo ya ukuaji wa tisa au juu
- anaerobic
- inahusu viumbe vinavyokua bila oksijeni
- ya kukosa sumu
- bila oksijeni
- biofilm
- microbial jamii kwamba ni uliofanyika pamoja na tumbo gummy-textured
- sianobakteria
- bakteria kwamba tolewa kutoka phototrophs mapema na oksijeni anga; pia inajulikana kama mwani bluu-kijani
- mwendo wa mwisho
- viumbe vinavyokua chini ya hali mbaya au ngumu
- halofili
- viumbe vinavyohitaji mkusanyiko wa chumvi wa angalau 0.2 M
- hydrothermal hewa
- fissure katika uso wa dunia kwamba releases maji geothermally joto
- hyperthermophile
- viumbe vinavyokua kwenye joto kati ya 80—122 °C
- kitanda cha microbial
- multi-layered karatasi ya prokaryotes ambayo ni pamoja na bakteria na archaea
- virutubishi
- vitu muhimu kwa ajili ya ukuaji wa uchumi, kama vile kaboni na nitrojeni
- kiosmofili
- viumbe vinavyokua katika mkusanyiko wa sukari ya juu
- phototrophy
- viumbe kwamba ni uwezo wa kufanya chakula yake mwenyewe kwa kuwabadili nishati ya jua kwa nishati ya kemikali
- psychrophile
- viumbe vinavyokua kwenye joto la -15 °C au chini
- sugu ya mionzi
- viumbe kwamba kukua katika viwango vya juu vya mionzi
- rudushia fahamu
- mchakato ambayo prokaryotes kwamba ni katika hali VBNC kurudi uwezekano
- stromatolite
- muundo wa sedimentary uliofanywa na mvua ya madini na prokaryotes katika mikeka ya microbial
- thermophile
- viumbe vinavyoishi katika joto kati ya 60—80 °C
- hali inayoweza kutunza-lakini-isiyo ya utamaduni (VBNC)
- mfumo wa maisha ya bakteria inakabiliwa na hali ya matatizo ya mazingira