Тема 3 Лекция 2 Систематика прокариот Система Уиттекера

Тема 3. Лекция 2. Систематика прокариот Система Уиттекера

Систематика (таксономия) — наука о многообразии и взаимосвязях между организмами. Одна из задач систематики — распределение (классификация) множества организмов по группам (таксонам) Таксон — группа организмов, обладающих заданной степенью однородности.

Взаимосвязь между описанием, классификацией и номенклатурой в таксономии прокариотическ их организмов

Специальный раздел таксономии — номенклатура — имеет дело с правилами присвоения наименований описанным объектам. В систематике бактерий используют биномиальную номенклатуру К. Линнея (К. Linne, 1707— 1778), согласно которой биологическому виду присваивают название, состоящее из двух слов: первое определяет принадлежность организма к определенному роду, второе — виду. Названия бактериям присваивают в соответствии с правилами Международного кодекса номенклатуры бактерий.

Основной таксономической категорией является вид. По современным представлениям, вид — это группа близких между собой организмов, имеющих общий корень происхождения и на данном этапе эволюции характеризующихся определенными морфологическими, биохимическими и физиологическими признаками, обособленных отбором от других видов и приспособленных к определенной среде обитания.

Важным признаком, определяющим принадлежность организмов к одному виду, является их способность скрещиваться и давать жизнеспособное потомство. у прокариот размножение половым путем отсутствует, поэтому данный признак для определения видовой принадлежности к ним неприменим.

Отнесение прокариотных организмов к одному или разным видам осуществляется в большой степени эмпирическим путем на основе анализа многих признаков, при этом генетическая информация, содержащаяся в нехромосомных генетических элементах, для определения видовой принадлежности не используется.

В микробиологии употребляются такие термины, как "штамм" и "клон". Штамм - бактериальные культуры одного вида, выделенные, например, из разных мест обитания. Различия между штаммами не выходят за пределы вида. Клон - еще более узкое понятие, это культура, выделенная из одной клетки.

Существуют 2 типа систематики биологических объектов: филогенетическая, или естественная, в основе которой лежит установление родственных (генетических, эволюционных) связей между организмами, практическая, или искусственная, цель которой — выявление степени сходства между организмами для быстрой их идентификации и установления принадлежности к определенным таксонам.

Хронологически первыми были попытки использовать накопленные сведения о фенотипических признаках бактерий для построения традиционной системы в виде некоего "генеалогического древа".

В основу создания системы был положен и традиционный принцип. Все используемые признаки мысленно распределяли по степени их значимости, результатом чего являлось субъективное (основанное только на опыте и интуиции исследователя) создание иерархической системы признаков.

в зависимости от важности признаков объекты разбивали на таксономические группы. в какой последовательности при классификации учитываются признаки, зависит путь, разделения микроорганизмов и полученные таксономические группы.

Вначале основное внимание уделяли морфологическим признакам бактерий. в 1872 г. Ф. Кон (F. Cohn, 1828 - 1898) разделил бактерии на группы по морфологическим признакам: кокки, короткие палочки, удлиненные палочки, спирали.

морфологические признаки недостаточны для удовлетворительного распределения бактерий по таксономическим группам. В 1909 г. С. Орла-Йенсен (S. Orla. Jensen) сделал попытку классифицировать бактерии на основе известных к тому времени физиологических признаков.

Важным шагом в развитии систематики прокариот явилось использование признаков, дающих информацию о химическом строении клетки: состав оснований ДНК, ДНКДНК- и ДНК-РНК-гомологии, аминокислотная последовательность белков, строение рибосом, компонентов клеточной стенки и т. д.

схемы классификации бактерий были крайне субъективны. Это привело к использованию иного подхода для определения степени сходства между прокариотами — нумерической систематики.

В основе нумерической систематики лежат идеи, сформулированные в середине XVIII в. французским ботаником М. Адансоном (М. Adanson, 1727 — 1806): все признаки объекта считаются равноценными; при описании исследуемого объекта используется максимальное количество признаков, которые могут быть изучены и определены; степень сходства устанавливается на основании количества совпадающих признаков и выражается в виде коэффициента сходства.

Степень сходства для двух сравниваемых штаммов получают путем определения отношения числа одинаковых признаков к общему числу изученных признаков. Значение коэффициента сходства меняется в диапазоне от 1 (полная идентичность) до 0 (несовпадение ни по одному изученному признаку).

для оценки сходства прокариот используют порядка 100 признаков, что составляет приблизительно 10% от количества признаков, определяющих бактериальный фенотип. учитывается только незначительная часть признаков классифицируемого объекта.

поскольку объем информации постоянно возрастает, значение коэффициента сходства может меняться в сторону увеличения (при обнаружении новых одинаковых признаков) или уменьшения (при увеличении числа несовпадающих признаков).

Нумерическая таксономия может быть полезна при оценке степени сходства между таксонами невысокого ранга (виды, роды), но прямого отношения к созданию филогенетической системы прокариот не имеет.

Наиболее полно задача быстрой идентификации прокариотных организмов решается с помощью Определителя бактерий Берги (Берджи) Первое издание определителя было выпущено в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д. X. Берги (D. H. Bergey, I 860 — 1937); девятое издание в 4 томах вышло в 1984 — 1989 гг.

Для девятого издания Определителя бактерий Берги характерен отказ от построения классической иерархической системы классификации. Ценность определителя в том, что он представляет собой наиболее полную сводку известных бактериальных форм и самое современное пособие для идентификации бактерий.

предложена схема деления царства Prokaryotae на высшие таксоны (отделы, классы). В основу деления на отделы положено строение клеточной стенки.

Отдел I. Gracilicutes Включает организмы с разной морфологией, имеющие грамотрицательную клеточную стенку. Размножение в основном бинарным делением, в некоторых группах – почкованием, в одной – множественным делением. Спор не образуют. Многие подвижны: с помощью жгутиков или скольжения. Аэробные, аназробные или факультативно аназробные формы. Отдел подразделяется на 3 класса, объединяющие нефотосинтезирующие (Scotobacteria) и фотосинтезирующие (Anoxyphotobacteria, Oxyphotobacteria) организмы

Отдел II. Firmicutes Входят организмы с грамположительной клеточной стенкой. Размножаются в основном бинарным делением. Некоторые образуют зндоспоры. У других споры на гифах или в спорангиях. Перемещаются с помощью жгутиков. Большинство неподвижны. В состав отдела входят азробные, анаэробные, факультативно анаэробные формы. В зависимости от морфологии предложено деление на 2 класса: Firmibacteria (кокки, палочки, неветвящиеся нити) и Thallobacteria (ветвящиеся формы)

Отдел III. Tenericutes Относятся прокариоты, у которых отсутствует клеточная стенка и не синтезируются предшественники пептидогликана. Клетки окружены ЦПМ, чрезвычайно плеоморфны. Размножение бинарным делением, почкованием, фрагментацией. Окрашивание по Граму отрицательное. Характерно образование мелких, врастающих в агар колоний. Могут быть сапрофитами, паразитами или патогенами. Представлены одним классом Mollicutes

Отдел IV. Mendosicutes Объединены прокариоты, претендующие на более раннее происхождение. Клетки разной формы: кокки, палочки, нити. Многие плеоморфны. Большинство имеют клеточную стенку, но она не содержит типичного пептидогликана. Клеточная стенка может быть построена только из белковых макромолекул или гетерополисахаридов. Окрашивание по Граму отрицательное или положительное. Большинство – строгие аназробы. Многие имеют жгутики. Характеризуются экологическим и метаболическим разнообразием, способностью жить в экстремальных условиях. Объединены в класс Archaeobacteria

все обнаруженные организмы, отнесенные в царство Prokaryotae, разделены на 33 группы. Основная идея классификации "по Берги" — легкость идентификации бактерий. Для осуществления этого используют совокупность признаков

морфологических; капсулы; способность к спорообразованию; особенности внутриклеточного строения; окрашивание по Граму, культуральных, физиолого-биохимических (способы получения энергии; потребности в питательных веществах; отношение к факторам внешней среды; нуклеотидный состав и последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК; наличие и характер минорных оснований в ДНК; нуклеотидный состав рибосомальной РНК; последовательность аминокислот в ферментных белках с аналогичными функциями).

Представленная в Определителе бактерий Берги система классификации является строго идентификационной и не решает задачи выявления эволюционных связей между прокариотами.

Пример идентификации неизвестного микроорганизма классическими микробиологическими методами

Первая попытка построения системы, в основе которой лежали бы родственные связи между прокариотными организмами, принадлежит С. Орла-Йенсену. Он предложил филогенетическую систему бактерий, основанную на физиологических признаках, и исходил при этом из предположения, что, поскольку на первобытной Земле отсутствовало органическое вещество, первые бактерии должны были быть автотрофами.

В качестве самых примитивных бактерий он рассматривал аэробные бактерии, окисляющие метан. Позднее такие попытки предпринимались крупнейшими микробиологами А. Клюйвером, К. ван Нилем, Р. Стейниером.

Важный шаг на пути создания естественной систематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии Первоначально для таксономических целей сравнивали молярное содержание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количества оснований ДНК у разных объектов. Этот показатель у прокариот колеблется от 25 до 75%

Более тонкий метод оценки генетического сходства организмов — сравнение нуклеотидных последовательностей ДНК из разных источников методом ДНК-ДНКгибридизации. Метод наиболее полезен для классификации на уровне вида, т. е. в случае высокой степени гомологии, и мало информативен для классификации объектов на уровне высоких таксонов

значение данных о строении ДНК для систематики прокариот огромно, так как позволяет перейти от установления степени сходства к выводам о степени родства между организмами.

Помимо анализа молекул ДНК для установления степени родства между прокариотными организмами разработаны методические подходы, позволяющие сравнивать продукты отдельных генов, выполняющие в клетке одинаковые функции - белки (ферредоксины, цитохромы и др. ) или р. РНК

Выбор р. РНК для решения проблем эволюционной систематики прокариот оказался удачным Особенностью р. РНК является нахождение вне сферы действия отбора, эти молекулы эволюционируют в результате спонтанных мутаций, происходящих с постоянной скоростью, и накопление таких мутаций зависит только. от времени. мерой эволюционного расстояния между организмами служит количество нуклеотидных замен в молекулах сравниваемых р. РНК.

в рибосомах прокариот и эукариот присутствуют 3 типа р. РНК, различающихся молекулярной массой и коэффициентом седиментации. наиболее удобным оказался анализ молекул р. РНК средней величины: 16 S (у прокариот) и 18 S (у эукариот), состоящих из 1600 и 2500 нуклеотидов соответственно

последовательности 16 S и 18 S р. РНК изучены более чем у 400 организмов, принадлежащих к разным царствам живой природы. На основании полученных данных рассчитаны коэффициенты сходства сравниваемых организмов, что привело к неожиданным результатам: выявлены не две группы организмов, различающихся прокариотным и эукариотным типом клеточной организации, а три.

Одну образуют все эукариоты: высшие растения, животные, дрожжи, водоросли и т. п. В эту группу не вошли органеллы эукариот (митохондрии, хлоропласты)

Ко второй группе, получившей название истинных бактерий, или эубактерий, относится подавляющее большинство прокариот. Сюда же попали на основании степени гомологии 16 S р. РНК митохондрии и хлоропласты эукариотных клеток.

в третью группу вошли некоторые малоизученные прокариоты, обитающие в экстремальных условиях: метанобразующие бактерии, экстремальные галофилы и термоацидофилы. Эта группа организмов получила название архебактерий. архебактерии, по-видимому, представляют собой одну из самых древних групп живых существ.

По целому ряду свойств на молекулярном уровне, и прежде всего по анализу 16 — 18 S р. РНК, выявленные три группы живых организмов значительно различаются между собой, что привело исследователей к выводу о приблизительно одинаковом "эволюционном" расстоянии между ними.

Все изученные эубактерий в соответствии с вычисленными коэффициентами сходства оказались распределенными на 10 эволюционных ветвей. Наиболее неожиданный результат - обнаружение фотосинтезирующих эубактерий в 5 ветвях из 10, позволяющее сделать заключение о большем их родстве с определенными нефотосинтезирующими эубактериями, чем между собой.

Пути клеточной эволюции. Тонкими стрелками обозначено эволюционирование разных групп прокариот, в том числе давших начало митохондриям (1), хлоропластам (2), эукариотному ядру и цитоплазме (3).

Система живого мира