Live τώρα    
15°C Αθήνα
ΑΘΗΝΑ
Ελαφρές νεφώσεις
15 °C
10.6°C16.5°C
1 BF 70%
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ
Αίθριος καιρός
13 °C
11.1°C14.9°C
2 BF 67%
ΠΑΤΡΑ
Αραιές νεφώσεις
14 °C
8.0°C14.4°C
2 BF 65%
ΗΡΑΚΛΕΙΟ
Ελαφρές νεφώσεις
13 °C
12.8°C14.1°C
2 BF 82%
ΛΑΡΙΣΑ
Αίθριος καιρός
5 °C
4.9°C11.8°C
0 BF 100%
Αρχαία: Μια θαυμαστή και παρεξηγημένη κατηγορία μικροοργανισμών
  • Μείωση μεγέθους γραμματοσειράς
  • Αύξηση μεγέθους γραμματοσειράς
Εκτύπωση

Αρχαία: Μια θαυμαστή και παρεξηγημένη κατηγορία μικροοργανισμών

Οι μικροοργανισμοί, και συγκεκριμένα τα βακτήρια και οι μύκητες, αποτελούν οικίες μορφές ζωής, κυρίως λόγω της χρησιμότητας ή των ασθενειών που προκαλούν στον άνθρωπο. Πόσο δημοφιλή είναι όμως τα αρχαία, μια κατηγορία ζωντανών οργανισμών που βρίσκονται κυριολεκτικά στο όριο της ζωής, εκεί που κανένας άλλος οργανισμός δεν επιβιώνει;

Μέχρι πρόσφατα ταξινομούνταν στα βακτήρια και ονομάζονταν αρχαιοβακτήρια λόγω των αρκετών ομοιοτήτων στη μορφολογία τους μ’ αυτά. Πράγματι, πρόκειται για ομάδα οργανισμών που αποτελείται από μόνο ένα κύτταρο, όπως τα βακτήρια. Είναι προκαρυωτικοί οργανισμοί, δεν έχουν δηλαδή στο εσωτερικό τού κυττάρου τους πυρήνα ή μεμβρανώδη οργανίδια. Η μοριακή ανάλυση, όμως, ορισμένων συστατικών τους έριξε φως στις διαφορές τους με τα βακτήρια, οι οποίες ήταν αρκετές ώστε να αποτελούν πλέον μια διακριτή ομάδα.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1970 ερευνητές από Πανεπιστήμιο του Ιλινόις με επικεφαλής τον Carl Woese αναγνώρισαν τα αρχαία ως μια εντελώς διαφορετική μορφή ζωής, που δεν έμοιαζε με καμία άλλη. Οι επιστήμονες τότε ταξινόμησαν τους οργανισμούς σε τρεις γραμμές στο φυλογενετικό δέντρο που αναπαριστά τη ζωή στη Γη, με βάση τις διαφορές στην αλληλουχία του ριβοσωμικού RNA, ενός μορίου πολύ σημαντικού για την κυτταρική λειτουργία, το οποίο δεν μεταβάλλεται γρήγορα μέσω της εξέλιξης. Με βάση τα μοναδικά μοριακά και βιοχημικά χαρακτηριστικά τους, τα αρχαία διακρίθηκαν από τις άλλες δύο μεγάλες κατηγορίες των ζωντανών οργανισμών, τα βακτήρια και τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, στους οποίους περιλαμβάνονται οι μύκητες, τα φυτά και τα ζώα. Παρ’ όλο που η ανακάλυψη αυτή αντιμετωπίστηκε αρχικά με μεγάλη καχυποψία από την επιστημονική κοινότητα, σήμερα πλέον γνωρίζουμε ότι αποτελούν ξεχωριστή ομάδα, η οποία μάλιστα είναι εξελικτικά πιο συγγενική με τις πιο πολύπλοκες μορφές ζωής σε σχέση με τα βακτήρια.

Από τις θερμές πηγές και τα ηφαίστεια στους πάγους και τους ωκεανούς

Τα αρχαία ονομάστηκαν έτσι διότι θεωρείται ότι δεν έχουν απομακρυνθεί πολύ από τον κοινό πρόγονο όλων των οργανισμών από εξελικτική σκοπιά. Το πολύ αργό «εξελικτικό ρολόι» τους μπορεί να σχετίζεται με τα ακραία περιβάλλοντα στα οποία επιβιώνουν, τα οποία μοιάζουν με τις αρχέγονες συνθήκες στη Γη. Άλλωστε, τα κύτταρά τους βρίσκονται σε ισχυρή εξελικτική πίεση προκειμένου να διατηρήσουν τα γονίδια που τους προσδίδουν τα χαρακτηριστικά που τους επιτρέπουν να ζουν στα περιβάλλοντα αυτά. Γι’ αυτόν τον λόγο αποτελούν εξαιρετικό υλικό μελέτης σχετικά με το πώς ξεκίνησε η ζωή στον πλανήτη μας. Τα αρχαία αποτελούν ιδιαίτερα αξιοπερίεργη μορφή ζωής αφού τα συναντάμε σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως σε πολύ αλμυρά νερά ή σε ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες, εκεί που άλλοι οργανισμοί αδυνατούν να επιβιώσουν. Τα ακραία περιβάλλοντα φαίνεται μάλιστα ότι αποτελούν προϋπόθεση για την επιβίωση πολλών ειδών αρχαίων.

Αρχικά ταξινομήθηκαν με βάση τα κυτταρικά και μοριακά χαρακτηριστικά τους σε τρεις κατηγορίες, τα κρεναρχαιωτικά, τα ευρυαρχαιωτικά και τα κοραρχαιωτικά, ενώ αργότερα προστέθηκαν και άλλες. Μια μεγάλη υποομάδα αποτελούν τα υπερθερμόφιλα αρχαία, τα οποία μπορούν να ζήσουν στις ανώτατες θερμοκρασίες στις οποίες έχει εντοπιστεί ζωή, όπως για παράδειγμα κοντά σε ηφαίστεια. Τα Pyrolobus fumarii, για παράδειγμα, που ζουν σε υδροθερμικές αναβλύσεις, μπορούν να επιβιώσουν σε θερμοκρασία έως 113 βαθμούς Κελσίου, εκεί όπου δύσκολα συναντάμε άλλες μορφές ζωής. Οι οργανισμοί αυτοί έχουν αναπτύξει προσαρμοστικούς μηχανισμούς έτσι ώστε να αντέχουν την υπερβολική ζέστη. Οι κυτταρικές μεμβράνες τους αποτελούνται από λιπίδια τα οποία δεν επηρεάζονται από τις υψηλές θερμοκρασίες, ενώ περιέχουν θερμοανθεκτικές πρωτεΐνες και ένζυμα που σταθεροποιούν το DNA τους και το προστατεύουν από το λιώσιμο. Τα είδη τού γένους Picrophilus, που απομονώθηκαν από όξινα εδάφη στην Ιαπωνία, αναπτύσσονται σε pH κοντά στο 0 και είναι οι μοναδικοί οργανισμοί που αντέχουν σε τόσο όξινα περιβάλλοντα.

Ακόμα ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του θαυμαστού κόσμου των αρχαίων αποτελούν τα αλόφιλα, που ζουν σε πολύ αλμυρές λίμνες ή σε αλυκές, όπως το Halobacterium, που απαιτεί μεγάλες ποσότητες αλατιού για να επιβιώσει. Μια άλλη μεγάλη υποομάδα των αρχαίων είναι τα μεθανιογόνα, τα οποία παράγουν μεθάνιο χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο. Το περισσότερο μεθάνιο της ατμόσφαιρας οφείλεται σ’ αυτούς τους οργανισμούς, οι οποίοι επιβιώνουν αποκλειστικά σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Αφθονούν σε διάφορα ετερόκλιτα μέρη της Γης, όπως σε διάφορα ιζήματα, κοντά σε υποθαλάσσιες υδροθερμικές πηγές, σε ορυζώνες, αλλά και στο πεπτικό σύστημα ορισμένων ζώων. Ορισμένα μεθανιογόνα είναι και θερμόφιλα, όπως το Methanopyrus, το οποίο αναπτύσσεται άριστα στους 100βαθμούς Κελσίου.

Παρεξηγήσεις και προκαταλήψεις

Τα αρχαία εντοπίστηκαν πρώτα σε θαλάσσιες υδροθερμικές αναβλύσεις, σε θερμές πηγές και σε λίμνες πολύ υψηλής αλατότητας. Παρά την αδιαμφισβήτη επιτυχία τους στον εποικισμό των πιο αφιλόξενων περιοχών του πλανήτη μας, τα αρχαία ζουν σε πολλά άλλα μέρη, στην ξηρά και τη θάλασσα, σε ορισμένες περιπτώσεις σε άφθονες ποσότητες. Τα κρεναρχαιωτικά, για παράδειγμα, επιβιώνουν σε ποικίλα περιβάλλοντα και έχουν εντοπιστεί σε μεγάλα βάθη στους ωκεανούς αλλά και στα παγωμένα νερά της Ανταρκτικής.

Τα αρχαία είναι εξαιρετικά δύσκολο να καλλιεργηθούν στο εργαστήριο, επομένως η παρουσία τους σε πολλά και διαφορετικά μέρη της Γης έχει διαπιστωθεί από μοριακές κυρίως τεχνικές που δεν προϋποθέτουν την καλλιέργειά τους. Η απευθείας απομόνωση και η μελέτη του γενετικού υλικού τους από δείγματα από διάφορα περιβάλλοντα έχουν οδηγήσει στον προσδιορισμό καινούργιων ειδών. Η ανακάλυψη όλο και περισσότερων ειδών αρχαίων σε συνηθισμένα περιβάλλοντα αναδεικνύει τη λανθασμένη εικόνα που επικρατούσε γι’ αυτούς τους οργανισμούς για πολύ καιρό, ότι έχουν, δηλαδή, περιορισμένη ποικιλότητα και ότι συναντώνται κυρίως σε περιβάλλοντα όπου επικρατούν ακραίες συνθήκες (υψηλή θερμοκρασία και αλατότητα, ιδιαίτερα όξινα κ.λπ.). Φαίνεται μάλιστα ότι αποτελούν ένα αρκετά μεγάλο ποσοστό της μικροβιακής ζωής στους ωκεανούς και στο έδαφος και ότι διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο όχι μόνο στα οικοσυστήματα στα οποία κατοικούν, αλλά και στον κύκλο του άνθρακα και άλλων στοιχείων σε παγκόσμια κλίμακα. Αρκετά είδη αρχαίων αναπτύσσουν επίσης συμβιωτικές σχέσεις με άλλους οργανισμούς, όπως φυτά και ζώα.

Η σχέση τους με τον άνθρωπο

Τα αρχαία αποτελούν μέρος του ανθρώπινου μικροβιώματος και έχουν εντοπιστεί στο δέρμα, στη ρινική κοιλότητα και στο γαστρεντερικό σύστημα. Παρ’ όλο που η ύπαρξή τους στο ανθρώπινο σώμα είναι γνωστή εδώ και δεκαετίες, μόλις τρία μέλη τής οικογένειας Methanobacteriaceae έχουν απομονωθεί και καλλιεργηθεί στο εργαστήριο. Η πλειονότητα των αρχαίων του ανθρώπινου μικροβιώματος εντοπίζεται στο πεπτικό σύστημα. Τα μεθανιογόνα αρχαία και τα βακτήρια που βρίσκονται εκεί αποτελούν ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα συμβίωσης: τα αρχαία απομακρύνουν την περίσσεια υδρογόνου αξιοποιώντας το για να παράγουν ενέργεια και δημιουργώντας παράλληλα ένα πιο φιλικό περιβάλλον για τα βακτήρια προκειμένου τα τελευταία να διασπάσουν τα συστατικά των τροφών που καταναλώνει ο άνθρωπος.

Ο ρόλος τους στην ανθρώπινη υγεία και παθογένεση παραμένει αμφιλεγόμενος. Σε αντίθεση με τους άλλους μικροοργανισμούς, δεν έχουν βρεθεί αρχαία που να προκαλούν νόσο στον άνθρωπο ή σε άλλα ζώα. Ωστόσο, θεωρείται ότι τα μεθανιογόνα αρχαία ενδέχεται να σχετίζονται με την εμφάνιση ασθενειών με έμμεσο τρόπο, ενισχύοντας τον πολλαπλασιασμό παθογόνων βακτηρίων. Επιπρόσθετα, το μεθάνιο που παράγουν θεωρείται ότι επιβραδύνει τη διέλευση των συστατικών από το έντερο προκαλώντας γαστρεντερικές διαταραχές και παχυσαρκία. Ωστόσο, η σχέση των αρχαίων με τον άνθρωπο παραμένει μέχρι στιγμής ανεξιχνίαστη, κυρίως λόγω περιορισμών στην υπάρχουσα μεθοδολογία, αφού ακόμα και σήμερα, παρ’ όλο που πέρασαν δεκαετίες από την ανακάλυψή τους, η απομόνωσή τους από σύνθετα μικροβιώματα και η καλλιέργειά τους σε εργαστηριακές συνθήκες αποτελούν δύσκολο εγχείρημα. Αρκετοί επιστήμονες θεωρούν ότι η εκτεταμένη μελέτη τους μπορεί να αποκαλύψει μια ανακμετάλλευτη πηγή αντιμικροβιακών ουσιών που πιθανώς να αποτελέσει λύση στο πρόβλημα της μικροβιακής αντοχής που λαμβάνει ανησυχητικές διαστάσεις παγκοσμίως.

Σχεδόν πενήντα χρόνια μετά την αναγνώρισή τους ως διακριτή ομάδα σε σχέση με τα βακτήρια, τα αρχαία κρύβουν πολλά ακόμα ανεξερεύνητα μυστικά. Η μελέτη τους έδωσε πολλές σημαντικές πληροφορίες για την εξέλιξη της ζωής στη Γη και πυροδότησε σενάρια για το πώς μπορεί να μοιάζει η ζωή σε άλλους πλανήτες. Νέες μέθοδοι καλλιέργειας και τεχνικές ανάλυσης και επεξεργασίας δειγμάτων από διάφορα περιβάλλοντα θα επιτρέψουν την πληρέστερη έρευνα γι’ αυτούς τους εντυπωσιακούς μικροοργανισμούς που θέτουν τα όρια της ζωής στη Γη και αφθονούν σε χερσαία και θαλάσσια περιβάλλοντα.

Ενδεικτική βιβλιογραφία:

1. Woese, C.R. and G.E. Fox, «Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms». ProcNatlAcadSci, USA, 1977. 74(11): p. 5088-90.

2. Moissl-Eichinger, C., et al., «Archaea Are Interactive Components of Complex Microbiomes», Trends Microbiol, 2018. 26(1): p. 70-85.

3. Baker, B.J., et al., «Diversity, ecology and evolution of Archaea», Nat Microbiol, 2020.

4. www.encyclopedie-environnement.org

Ξετυλίγοντας το κουβάρι της εξέλιξης των ευκαρυωτικών κυττάρων

Ήταν ήδη γνωστό εδώ και πολλές δεκαετίες ότι οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί εξελίχθηκαν από απλούστερες μορφές ζωής, δεν ήταν όμως σαφές από ποιους μικροοργανισμούς προέκυψαν τα πρώτα ευκαρυωτικά κύτταρα. Πρόσφατη μελέτη ρίχνει φως στον τρόπο εξέλιξης των ευκαρυωτικών κυττάρων προτείνοντας ένα διαφορετικό μοντέλο σε σχέση μ’ αυτό που ήταν αποδεκτό μέχρι πρότινος από την επιστημονική κοινότητα.

Αυτό το εξελικτικό μοντέλο προέκυψε από την καλλιέργεια των αρχαίων Asgard για πρώτη φορά στο εργαστήριο. Η in vitro καλλιέργειά τους, που αποδείχθηκε ένα ιδιαίτερα χρονοβόρο και δύσκολο εγχείρημα, επέτρεψε τη μελέτη τής μορφολογίας και του μεταβολισμού των αξιοπερίεργων αυτών μικροοργανισμών και την περαιτέρω διεξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την εξέλιξη των πιο πολύπλοκων κυττάρων, των ευκαρυωτικών. Οι πιο σύνθετες μορφές ζωής, τα ζώα, τα φυτά και οι μύκητες αποτελούνται από ευκαρυωτικά κύτταρα, τα οποία περιέχουν δηλαδή πυρήνα, και άλλα μεμβρανώδη οργανίδια.

Η σχέση των προκαρυωτικών Asgard με τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς άρχισε να διαφαίνεται με τον προσδιορισμό τής αλληλουχίας του γονιδιώματός τους. Το γονιδίωμα του Lokiarchaeota, ενός μέλους της ομάδας των Asgard, που έγινε γνωστό το 2015, αποκάλυψε, προς μεγάλη έκπληξη της επιστημονικής κοινότητας, γονίδια που είχαν πολλές ομοιότητες στην αλληλουχία τους με αντίστοιχα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Τα γονίδια αυτά είναι υπεύθυνα για την παραγωγή πρωτεϊνών που μέχρι τότε θεωρούνταν ότι εντοπίζονται αποκλειστικά στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Η ακριβής εξελικτική σχέση ανάμεσα στα αρχαία και στις πιο σύνθετες μορφές ζωής δεν είχε ακόμα αποκαλυφθεί εξαιτίας της δυσκολίας στην in vitro καλλιέργεια των αρχαίων: μόλις 6 από τα 27 φύλα τους είχαν καλλιεργηθεί σε εργαστηριακές συνθήκες κι από αυτά κανένα δεν ανήκε στην ομάδα των Asgard. Το γεγονός αυτό άφηνε μεγάλα κενά στην κατανόηση της δομής και της βιολογίας αυτών των αινιγματικών μορφών ζωής.

Προσπαθώντας να καλύψει το συγκεκριμένο κενό στην επιστημονική γνώση γύρω από τα αρχαία Asgard, η επιστημονική ομάδα με επικεφαλής τον Hiroyuki Ιmachi, ερευνητή στην Ιαπωνική Υπηρεσία Επιστήμης και Τεχνολογίας Γης και Θάλασσας, κατόρθωσε μετά από προσπάθεια δώδεκα χρόνων να καλλιεργήσει τα Asgard στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας ειδικούς βιοαντιδραστήρες που προσομοιάζουν τις συνθήκες υπό τις οποίες ζουν.

Τα αποτελέσματά τους, που δημοσιεύτηκαν τον Ιανουάριο στο περιοδικό «Nature», δεν ανέδειξαν μόνο τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των Asgard, αλλά οδήγησαν και στην περιγραφή ενός νέου μοντέλου για την εξέλιξη των ευκαρυωτικών κυττάρων. Το είδος Prometheoarchaeum syntrophicum, που ονομάστηκε έτσι από την εμβληματική μορφή τής αρχαίας ελληνικής μυθολογίας, εντοπίστηκε και απομονώθηκε από ιζήματα του βυθού τής θάλασσας, έχει σφαιρικό σχήμα με ασυνήθιστα μακριές προεκβολές και δεν φέρει οργανίδια στο εσωτερικό του, όπως τα ευκαρυωτικά κύτταρα. Προκειμένου να επιβιώσει, αναπτύσσει συμβιωτικές σχέσεις με άλλους μικροοργανισμούς. Μετά από ενδελεχή μελέτη των χαρακτηριστικών, της φυσιολογίας και του μεταβολισμού της συγκεκριμένης κατηγορίας αρχαίων οι ερευνητές συμπέραναν ότι τα ευκαρυωτικά κύτταρα προέκυψαν από τρεις διαφορετικούς οργανισμούς: από έναν πρόγονο των βακτηρίων που εγκολπώθηκε από έναν πρόγονο των αρχαίων, ο οποίος συμβίωνε με κάποιο άλλο βακτήριο.

Η in vitro καλλιέργεια των αρχαίων Asgard σηματοδότησε μια νέα περίοδο για τη μελέτη των ιδιαίτερων αυτών μικροοργανισμών. Η περαιτέρω μελέτη τους αναμένεται να εξιχνιάσει το μυστήριο που αφορά την αλληλουχία των γεγονότων που οδήγησαν από τα προκαρυωτικά κύτταρα στις πιο σύνθετες μορφές ζωής και θα συμβάλει ακόμα περισσότερο στην κατανόηση της εξέλιξης της ζωής στον πλανήτη μας.

Ενδεικτική βιβλιογραφία:

1. Imachi, H., et al., “Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface”, “Nature”, 2020. 577(7791): p. 519-525.

2. Spang, A., et al., «Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes», «Nature», 2015. 521(7551): p. 173-179.

Μαρία Τσίπη

Στηρίξτε την έγκυρη και μαχητική ενημέρωση. Στηρίξτε την Αυγή. Μπείτε στο syndromes.avgi.gr και αποκτήστε ηλεκτρονική συνδρομή στο 50% της τιμής.

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

ΓΝΩΜΕΣ

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ

EDITORIAL

ΑΝΑΛΥΣΗ

SOCIAL