4.2.17. Систематика микроорганизмов, построение филогенетического древа
Накопление огромного фактического материала в микробиологии для удобства работы потребовало классифицировать изучаемые объекты. Под классификацией понимают отнесение конкретно биологического объекта к определенной группе однородности (таксону) по совокупности присущих ему признаков.
Во второй половине XIX в. немецкий биолог Э. Геккель (рис. 4.2.39) приходит к заключению, что микроорганизмы настолько существенно отличаются как от царства животных, так и от царства растений, что не укладываются ни в одно из этих подразделений. Э. Геккель предложил выделить все микроорганизмы, у которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани (простейшие, водоросли, грибы, бактерии), в отдельное царство Protista (протисты, первосущества, от греч. protos — самый простой), включив в него организмы, во многих отношениях занимающие промежуточное положение между растениями и животными. Термин «protista» и сейчас применим для обозначения объектов, исследуемых микробиологами.
Рис. 4.2.39. Эрнст Генрих Геккель (Ernst Heinrich Philipp August Haeckel; 1834—1919)
Однако уже с конца XIX в. начали накапливаться данные о различии в строении клеток микроорганизмов, входящих в группу Protista. Это повлекло за собой деление группы на высшие и низшие протисты. К высшим протистам стали относить микроскопических животных (простейших), микроскопические водоросли (кроме сине-зеленых) и микроскопические грибы (плесени, дрожжи), к низшим — все бактерии и сине-зеленые водоросли (последние чаще называют теперь цианобактериями). Деление на высшие и низшие протисты происходило в соответствии с двумя выявленными типами клеточной организации — эукариотной и прокариотной (термины были предложены в 30-х гг. XX в. протозоологом Э. Шаттоном (Е. Chatton)). Высшие протисты имеют эукариотное строение клеток, т.е. являются эукариотами, низшие — прокариотное.
Обоснование того, что прокариотный и эукариотный типы клеточной организации являются наиболее существенной границей, разделяющей все клеточные формы жизни, связано с работами Р. Стейниера (R. Stanier, 1916—1982) и К. ван Ниля, относящимися к 60-м гг.
В связи с тем что прокариотная и эукариотная организация клеток принципиально различна, было предложено только на основании этого признака выделить все прокариоты в особое царство. Р. Меррей (R. Murray) в 1968 г. предложил все клеточные организмы разделить на две группы по типу их клеточной организации: царство Prokaryotae, куда вошли все организмы с прокариотным строением клетки, и царство Eukaryotae, куда включены все высшие протисты, растения и животные.
Р. Виттэкер (R. Whittaker) предложил схему, по которой все живые организмы, имеющие клеточное строение, представлены разделенными на пять царств (рис. 4.2.40). Такая система классификации живого мира отражает три основных уровня его клеточной организации: Monera включает прокариотные организмы, находящиеся на самом примитивном уровне клеточной организации; Protista — микроскопические, в большинстве своем одноклеточные, недифференцированные формы жизни, сформировавшиеся в результате качественного скачка в процессе эволюции, приведшего к возникновению эукариотных клеток; многоклеточные эукариоты представлены в свою очередь тремя царствами Plantae, Fungi и Animalia.
Рис. 4.40. Схема пяти царств живого мира: прокариоты (царство Monera), одноклеточные эукариоты (царство Protista), многоклеточные эукариоты (царства Plantae, Fungi, Animalia) (no Whittaker, 1969).
Три последние таксономические группы различаются по способу питания: фототрофный тип питания за счет процесса фотосинтеза характерен для растений (Plantae); грибы (Fungi) в основном характеризуются осмотрофным типом питания, т.е. питанием растворенными органическими веществами; животные (Animalia) осуществляют голозойное питание, заключающееся в захватывании и переваривании твердой пищи. Способы питания, специфические для растений и грибов, возникли в процессе эволюции на уровне Monera. На уровне Protista они получили свое дальнейшее развитие; здесь же сформировался третий тип питания — голозойный. Такая система четырех эукариотных царств и одного царства прокариотов была наиболее популярной до середины 1970-ых годов. Причем все системы классификации основывались на типических признаках – морфология, физиология, биохимия организма.
Однако американский исследователь Карл Везё (Carl Woese) (4.2.41) в 1977 г. открыл археи (Archaea) - организмы, которые имеют прокариотическое строение клетки, но при этом, как оказалось, очень далеко отстоят от настоящих бактерий. При обычном микроскопировании невозможно выделить какие-либо отличительные признаки архей по отношению к эубактериям, они близки к их грамположительным формам, размножаются как и эубактерии бинарным делением, почкованием и фрагментацией. Различия архебактерий и остальных бактерий были открыты только при сравнительном анализе 16s рРНК. Причем в начале Вёзе провел опыты с 5S субъединицей. Он обнаружил достаточно много гомологий, которые могли бы помочь составить древо, но 5S состоит из всего 121 нуклеотида, что крайне неинформативно.
Тогда он обратил внимание на 16S рРНК, содержащую 1500 нуклеотидов. У нее обнаружился консервативный участок из 900 нукетидов, который не меняется. Если в нем что-то изменить, то синтез белка уже не происходит. Остальная часть последовательности — это изменяющиеся участки. Эта субъединица оказалась очень удобной для сравнения отрезков и определения родства, поскольку обладает достаточно большой, но не чрезмерной информацией и считается своеобразным «биологическим хронометром». Везе была выделена и предложена система не пяти царств, а трех доменов: бактерии, археи и эукариотные организмы. Внутри этих доменов идет деление на империи, империи делятся на царства, царства на отделы ну и так далее. Оказалось, что все организмы хорошо ложатся на филогенетическое древо, которое Карл Вёзе и издал в 1985 году (рис. 4.2.42). Одновременно было доказано, что митохондрии и хлоропласты имеют бактериальное симбиотическое происхождение. Филогенетическое дерево, построенное на основании анализа 16S рРНК, показывает разделение эубактерий, архей и эукариот.
Рис. 4.2.41. Кард Везё (Carl Woese, род. в 1928)
Рис. 4.2.42. Филогенетическое древо жизни, изданное Карлом Вёзе в 1977 г.
В настоящее время преобладает именно этот филогенетический подход к систематике микроорганизмов, который учитывает родственные связи и пути эволюции организмов. При такой классификации иерархия таксонов отражает генеалогическое древо. Однако из-за отсутствия в большинстве случаев ископаемых остатков микроорганизмов невозможно напрямую установить исторический путь эволюции.
Анализ 16S рРНК позволяет определить место микроорганизма на филогенетическом древе. А дальше определение видового названия ведется традиционными микробиологическими методами. При этом 90% совпадений свидетельствуют о принадлежности к определенному роду, 97 % - к определенному виду. Более точный метод – ДНК-ДНК-гиридизация, который дает более 30 % совпадений в пределах рода и более 70 % - в пределах вида.
Для более четкой дифференцировки микроорганизмов на уровне рода и вида американским микробиологом Ритой Колвелл (1970) была предложена полифилетическая (полифазная) таксономия, предполагающая использование многоуровневой информации – от молекулярной до экологической.