Как шла эволюция бактерий кратко

Обновлено: 08.07.2024

Можно лишь приветствовать появление таких биоинформационных баз как NCBI genomes и PDB, в которые исследователи помещают данные о секвенированных геномах и структурах РНК, белков. И главное, некоторые ученные прежде чем опубликовать статью, прежде помещают данные в биоинформационные базы.

Вы скажите есть много других баз — но я вам скажу они менее серьезные, и как правило перепосты этих двух с некоторой адаптацией. Но главное, что вся другая биоинформационная информация, можно сказать вторичная — не помещается в базы. А в статьях тем не менее идут различные спекуляции.

Конечно, так оно выглядит только для таких дилетантов как я. У настоящих же профессионалов все как в аптеке. Поэтому можете не утруждать себя ответом на эти пафосные заявления. Мы просто поговорим как выглядит биоинформатика в её частных областях глазами дилетанта. Но может и вас эта история к чему нибудь побудит.

Мы поговорим ниже о построение дерева эволюции согласно Дарвину, посмотрим на сколько это справедливо и таки я в итоге дам полное дерево (в рамках имеющейся информации) эволюции бактерий на основании самых консервативных генов тРНК. И дам пояснение о методе построения такого дерева.

Специалистам в биоинформатике рекомендую читать с раздела №5, пропустив весь мой пафос.

№1. Таксономия

Будучи дилетантом я всегда недоумевал по одному поводу — как можно классифицировать и систематизировать организмы, когда нет информации о ДНК, когда штаммы организмов еще не секвенированы? И пожалуйста Справочник Берджи только в последнем издании начал учитывать информацию о генах. А до этого учитывал только структурные и функциональные особенности бактерий.

Я уже не говорю о тех биологах-консерваторах, которые заявляют на полном серьезе, что таксономия должна строится не только на основании геномного сравнения, но и на основании морфологических и физиологических данных. И это то в генный век мы должны возвращаться во времена К. Линнея?

А ведь при отсутствии более авторитетного издания, чем справочник Берджи, биоинформационные базы по таксономии, такие как в NCBI, хоть и являются более полными и иногда имеют ссылки на секвенированные штаммы — принцип построения такого дерева — это просто перепост справочника Берджи.

Скажите не так… ок, найти отличие можно легко. Но вы никогда не поймете почему дерево именно такое какое оно есть. К тому или иному виду конечно приписано, кто дал такое имя таксону, и если повезет будет статья, и еще если сильно повезет в статье мельком будет описано почему этот таксон поместили так или иначе в систематике.

Дальше если взять отдельные статьи по построению филогенетических деревьев — в них в лучшем случае рассматривается очень небольшое число видов, и строятся деревья совершенно не прозрачными методами и достаточно не большие.

№2. Проблема дилетанта

Существует много профессионалов, которые пытаются представить дело так, что проблема дилетанта — это его недообученность и недоосведомленность.

Это отчасти так, но только отчасти. Дилетанты занимаются не своим делом, потому что имея свою профессию — они также интересуются вещами другими и думают, в какой еще сфере они могут применять свои знания. И когда они видят примерно такое состояние как я описал выше для таксономии — они приходят в некоторое замешательство.

Они берут самый наивный метод, так как им нужен результат, а не повод для написания статьи и строят дерево эволюции. Дальше профессионалы начинают возмущаться как же так — они занимаются этим профессионально, а результатов то нет… гранты не все использованы. Хотя можно взять и одному человеку все это построить без особых сложностей и не забивая голову методами, в которых введена сложность ради самой сложности. И вот так получается результат у дилетанта.

Его можно обсуждать, но его можно обсуждать серьезно только тогда, когда у профессионалов будет хоть что-то сравнимое и столь же прозрачное. И вот теперь мы к этому перейдем.

№3. Многовидовое происхождение и прочие глупости

Эту мысль мои критики почти не заметили тогда (видимо списав на горизонтальный перенос — хотя сильно уж постоянным были связи мама-папа), но отметили что делать выводы на основании одного гена как то не серьезно.

Я охотно согласился, но про себя подумал — а вы то сами сколько генов анализируете? Правильно как правило один 16S, только он подлиннее будет, но зато изрезанный мутациями. Но что нам сравнивать с другими… идем дальше.

Дальше я взял все доступные в NCBI секвенированные геномы и все тРНК и уточнил информацию (см. Систематика прокариот — дальние родственники).

Критики меньше не стало, но она стала больше эмоциональная. Ага, подумал я возражать становится сложнее, а аргументы оппонентов стали далеки от рассматриваемого и косвенные.

Но я видел, что в целом картина стала сильно запутанной, было ощущение, что роды взаимодействуют где-то слабее, где-то сильнее — но почти как каждый с каждым. Тот или иной вид гена у них был общий.

Представить себе, что так могла идти реально эволюция — т.к. как будто все гены бросили в один котел, а потом зачерпывали бы из этого котла случайный набор и создавали вид — было как то сложно. Но результаты говорили об этом неумолимо.
Разные роды хоть и слегка выделялись в группы, но выглядели так как будто тРНК передавались горизонтально случайным образом.

№4. Дарвиновская эволюция — как образ мышления

Но в этом графе нет направления эволюции, этот граф не делает ни каких предположений о прошлом. Он просто показывает факты родства современных организмов. При этом родство этих организмов может быть далеким и на основании этого графа не возможно сказать когда произошла дивергенция видов.

Дарвиновская эволюция — это другой способ интерпретации, который дает возможность наиболее детально представить себе ход эволюции.

№5. Метод восстановления направления эволюции

Отсюда могут читать те, кто брезглив к пафосному тексту дилетанта, который находится выше.

Чтобы понять требуется прочтение статьи Систематика прокариот — дальние родственники, там описаны основы, которые являются входными данными. Поясняя далее, я предполагаю, что вы разобрались, что означает например такой граф и как он был построен:

Теперь нам надо разобраться как его преобразовать в дерево с направленной эволюцией, например такое:

В этом дереве мы восстанавливаем предков современных родов бактерий. Современные рода бактерий имеют названия и представлены как листья дерева, в то время как их предки обозначены набором цифр.

Таким образом, алгоритм построения такого дерева состоит из двух частей:
1. Распределение тРНК по группам, так чтобы на всем анализируемом множестве можно было апеллировать только группами без перехода на единичные тРНК — это нужно для двух целей (1) на порядок удобнее иметь дело с группами, чем с большим множеством тРНК. Устраняется дублирующая информация, и группа является минимальной единицей дивергенции. (2) Группы можно отсортировать по количеству тРНК входящих туда. Вероятность дивергенции (разделения) большей группы по разным родам выше при меньшем числе предковых дивергенций (длины ветви).

2. Собственно построение дерева предков.

Далее я опишу только общий принцип реализации эти двух частей.

Разделение на группы:
1. На входе имеется информация вида:

1 10 000913,003420,006818,011215,013800,016316,017374,
2 9 000434,000487,005891,005892,011142,011163,
2 10 000913,003420,006818,007509,011215,013800,016316,017374,
2 8 000487,003420,005891,006678,011163,013218,007509,

Построение дерева предков:
1. На основании разбиения связей родов по группам тРНК, можно восстановить какие групп тРНК находятся в каждом роде. Так если между родами имеется такая связь
1 10 307|864|867|897|909|911|
6 10 307|862|864|867|897|909|911|
это означает, что группы 307|864|867|897|909|911| есть и у 1-го рода и у 10-го. Но 862 группа к примеру есть только у 10-го и 6-го, но нет у 1-го.
2. Все роды делаем листьями дерева
3. Берем 1-ю группу (помним, что она наиболее крупная, значит она меньше дробилась и является более молодой ). Находим наименьшего общего предка для всех родов, которые обладают этой группой тРНК. Если такого предка нет — создаем его. Если есть, но наименьший общий предок не промаркирован соответствующим идентификатором группы тРНК — маркируем.
4. Повторяем п.3. для всех групп

Ну и собственно результат дерева эволюции бактерий можно посмотреть на картинке:

Эволюция микроорганизмов началась более 3 миллиардов лет назад. Первоначально они имели минимальное количество структур, которые обеспечивали жизнедеятельность. Но постепенные изменения на протяжении 1-1.5 миллиардов лет привели к появлению прокариотов, эукариотов и простейших. Вторая половина ХХ столетия (после изобретения антибиотиков) отмечена ускорением эволюционного развития свободноживущих и паразитических микроорганизмов, появлением новых инфекционных агентов, мутациями уже известных форм. Широко распространилась микрофлора, устойчивая к антибактериальным, противовирусным, дезинфицирующим и химиопрепаратам.

Общие этапы эволюции микроорганизмов

Первичная атмосфера Земли, по сравнению с другими планетами Солнечной системы – Сатурном, Нептуном или Ураном, содержащими большое количество благородных газов, состояла преимущественно из водорода, азота, углекислоты. Кислород, выделяющийся в результате фотолиза паров воды, сразу соединялся с другими элементами, а не присутствовал в воздухе свободном состоянии.

Теорий происхождения микробов множество, но почти все сходятся в том, что жизнь зародилась именно в воде.

Под воздействием солнечных радиоактивных лучей, электромагнитных волн, электрических разрядов, температурных факторов из них формировались органические вещества, накапливающиеся в водоемах. При достижении определенной концентрации возникли первые самовоспроизводящиеся организмы. Предположительно ими были сине-зеленые водоросли, которые, научившись использовать энергию солнечного света (явление фотосинтеза), стали выделять кислород.

Насыщение атмосферы кислородом кардинально изменило Землю, создав условия для дальнейшей эволюции живых существ от микроба до человека.

Ученые, занимающиеся биологией, уверены, что за 3 миллиарда лет в ходе эволюции бактерий были усовершенствованы следующие факторы:

морфология и химический состав клеток;
принципы обменных процессов;
механизмы наследственности;
взаимодействие микроорганизмов между собой и с объектами неживой природы.

Эволюция микробов сыграла ведущую роль в формировании биосферы Земли и создании экологического баланса.

Эволюция бактерий

Пытаясь объяснить, как шла эволюция бактерий, ученые выдвигали многочисленные версии. Вероятнее всего, процесс развития начался с анаэробных микроорганизмов, разделившихся впоследствии на факультативных анаэробов, аэробов, хемосинтезирующих аутотрофов. Эти формы дошли до наших дней, получив широкое распространение в современных экосистемах.

Разнообразие видов, форм и способов приспособления микроорганизмов указывает на сложный путь, пройденный ими от сгустка вещества до живой клетки.

Необходимые условия для появления живой клетки

Приспособившись в процессе эволюции к развитию при низкой температуре, они стали обосабливаться, формировать так называемые коацерватные капли в форме коллоидных частиц.

Теории происхождения прокариот

Сформированные коацерватные капли представляли собой высокомолекулярные протеиновые образования, адсорбирующие из окружающей среды отдельные химические элементы. Эта способность положила начало обмену веществ, который является одним из признаков жизни.

Растворенные в воде органические вещества, которые затем попадали внутрь коацерватов, увеличивали их массу. Когда она доходила до критической точки, связи, удерживающие молекулы вместе, разрывались, и коллоид распадался на более мелкие частицы. Так зарождался процесс размножения.

Незначительные размеры и отсутствие твердых компонентов не позволили большинству примитивных живых организмов сохраниться до наших дней. Однако учеными были обнаружены породы возрастом 3.1 млрд лет, из которых выделены структуры, интерпретируемые как останки бактерий.

Строение безъядерных микроорганизмов

Основной характеристикой прокариотов является отсутствие ядра. Их ДНК, являющаяся носителем генетической информации, заключена в нуклеоид, заменяющий хромосомы. Отсутствие других мембранных органоидов (митохондрий, эндоплазматической сети и других) компенсируется мезосомами, выполняющих аналогичные функции. Имеется небольшое количество мелких рибосом.

В процессе эволюции некоторые бактерии утратили клеточную стенку и перешли в L-форму. Таким способом им удалось пережить возникшие неблагоприятные условия, а затем вернуться к исходному состоянию.

Бактерии, у которых в естественном состоянии отсутствует клеточная стенка, называются микоплазмами.

Появление в ходе эволюции жгутиковых форм бактерий определило способность микроорганизмов к передвижению. Впоследствии количество и расположение жгутиков на теле прокариот стало одним из признаков видовой принадлежности.

Микробы приобрели самые разные формы и органоиды, чтобы приспособиться к изменяющимся условиям.

Чем питались и дышали древнейшие бактерии

Одними из старейших микроорганизмов считаются бактерии, восстанавливающие сульфаты. Они способны поглощать ионы водорода и переносить их на сульфаты, восстанавливая те до сульфидов. Усовершенствованный в процессе эволюции метод переноса электронов, используемый бактериями, происходит с участием цитохромов (крупных белков). Благодаря механизму фосфорилирования, протекающему в анаэробных (бескислородных) условиях, накапливается энергия.

Другими представителями микромира были:

бактерии, обладавшие способностью фиксировать углеводородные соединения и аммиак;
водородные бактерии, окислявшие молекулярный водород;
микроскопические сине-зеленые водоросли, использовавшие углеводород для строительства своего тела и выделявшие кислород.

Их жизнедеятельность привела к обогащению биосферы Земли кислородом с одновременным снижением концентрации в ней углекислого газа. Такая эволюция фотосинтеза привела к массовой гибели анаэробных микроорганизмов и дала возможность развиваться аэробам.

Таким образом, произошло четкое разделение между прокариотами и эукариотами. Безъядерные бактерии продолжали использовать сульфатное дыхание, формировать и потреблять метан, фиксировать азот и выполнять другие важные для экологии функции. Жизнедеятельность ядерных микроорганизмов базировалась в основном на фотосинтезе и существовании в присутствии кислорода.

Как передается генетическая информация

Отсутствие полового размножения у бактерий привело к возможности не только воспроизводить потомство путем простого деления, но и делиться генетическим материалом с другими микроорганизмами. Данное явление получило название горизонтального переноса. Оно создает значительные трудности для ученых в отслеживании развития определенного вида бактерий и архей.

Изучение подвижных генетических элементов и их роли в эволюции бактерий позволило установить, что они могут оказывать влияние на процесс преобразования наследственной информации в РНК или протеин. В результате этого происходит блокировка определенных действующих и активизация неактивных генов, вызывая мутации и создавая этим определенные эволюционные преимущества.

Эволюция вирусов

Вирусы представляют собой микроскопические частицы, которые состоят из молекул нуклеиновых кислот, заключенных в протеиновую оболочку (капсид). Особенностями вирусных микроорганизмов является наличие только одного типа нуклеиновых кислот (РНК или ДНК), а также неспособность размножаться, находясь вне клетки хозяина.

Так как вирусы не имеют общего предка и не образуют окаменелостей, то не существует единой теории их возникновения. Однако выделение вирусных элементов из геномов останков древних существ позволяет проследить их распространение и изменение.

Откуда взялись бесклеточные организмы

В настоящее время выдвинуты следующие теории происхождения вирусов в ходе эволюции:

регрессия одноклеточных микроорганизмов;
переход доклеточных форм к паразитическому способу жизни;
отсоединение отдельных участков ДНК или РНК клеточных организмов с сохранением зависимости.

У каждой теории существуют недостатки, не позволяющие ее принять за единую правильную версию.

Изменчивость и наследственность вирусов

Эволюцию вирусов ученые пытаются проследить, проводя анализ геномов современных микроорганизмов.

Выяснено, что развитие вирусов происходит в результате изменения последовательностей соединения участков ДНК или РНК под воздействием различных внешних факторов. Это приводит к возникновению более адаптированных к создавшимся условиям мутантов, способным сразу же воспроизводить себе подобных. Такая быстрота генетических изменений ускоряет эволюцию данных микроорганизмов, способствует появлению новых заболеваний, повышает устойчивость вирусов к неблагоприятным воздействиям.

Особенности эволюции вирусов на современном этапе

Возникающие штаммы обладают большей вирулентностью, способностью противостоять антимикробным препаратам и дезинфицирующим средствам, а также заражать другие виды макроорганизмов.

Почему вирусы называют двигателями эволюции

Изучение роли вирусов в эволюции жизни на Земле привело ученых к выводу, что их жизнедеятельность спровоцировала треть всех изменений, оказывающих влияние на геном животных и человека. Постоянное противостояние этим микроорганизмам привело к формированию всех органов и тканей, выполняющих различные функции. Поэтому вирусы еще называют стихийным злом эволюции. Однако считается, что живой мир планеты не был бы таким, какой он есть сейчас, если бы не вирусы.

Влияние вирусов на эволюцию человека происходило во время инфицирования клеток, участвующих в процессе размножения. Образовавшиеся провирусы внедрялись в геном, становясь частью наследственной информации. Подобные мутации повлияли на изменения геномов даже в большей степени, чем это было возможно в ходе естественной эволюционной изменчивости.

Исследуя роль вирусов в эволюции эукариотических клеток, ученые обнаружили вирусное происхождение некоторых структурных элементов. Также существует теория вирусного возникновения ядра. В ее основу положено происхождение клеточного ядра от большого ДНК-содержащего вируса. Проникнув в архею и начав размножаться, микроорганизм стал полностью ее контролировать.

Как повлияло появление многоклеточных организмов на ход эволюции

Первыми прокариотами, которые могли появиться в водной среде, считаются анаэробные микроорганизмы, осуществлявшие свою жизнедеятельность за счет брожения. Через 1 млрд лет после того, как появился кислород, все эукариоты, большинство которых является аэробами, начали активно заселять водные пространства планеты.

Размножаясь, одноклеточные микроорганизмы образовывали многочисленные колонии. Большая скученность привела к появлению у них специализации и определенных клеточных структур. У одних сохранились жгутики и ворсинки, другие их потеряли, сохранив взамен ложноножку. Таким образом, происходит расслоение колоний, где каждый устойчивый слой выполняет определенные функции. Это можно считать началом эволюции одноклеточных форм до наиболее высокоразвитых животных.

К первым многоклеточным животным относятся губки, кишечнополостные и членистоногие. Дальнейшее развитие было направлено на усовершенствование способов передвижения, дыхания и координации функций клеток организма.

По мере того, как шла эволюция бактерий, грибов, растений и животных, произошел их выход на сушу. Это привело к быстрому появлению высокоорганизованных форм жизни.

Одноклеточные микробы сыграли основную роль в образовании многоклеточных организмов.

Эволюция микробного паразитизма и происхождение патогенных микроорганизмов

Эволюция паразитизма у сапрофитных бактерий и простейших базируется на расширении мест обитания, а также борьбе за новые сферы распространения.

Усовершенствование паразитизма за счет увеличения зависимости от хозяина привело к появлению патогенных микроорганизмов, ставших возбудителями инфекционных заболеваний. Утратив сапрофитную форму, они стали неспособны жить самостоятельно во внешней среде.

В дальнейшем появились факультативные (шигеллы, менингококки, микобактерии), а затем облигатные (патогенные простейшие, хламидии, риккетсии) внутриклеточные паразиты.

По мере увеличения количества патогенных микроорганизмов, усовершенствования их вирулентных и токсических характеристик, развивались специфические и неспецифические способы иммунной защиты хозяев. Это стало одним из основных факторов естественного отбора.

Основные определения

Экология вирусов — это область вирусологии, изучающая взаимосвязь вирусов с объектами внешней среды.

Микроэволюция – это эволюционный процесс в популяции, приводящий к видообразованию новых разновидностей микроорганизмов за короткий период времени.

Фотолиз — это реакция разложения химического вещества под воздействием световой энергии.

Гетеротрофы — это микроорганизмы, которые питаются готовыми органическими веществами. Хемосинтезирующие автотрофы – это бактерии, источником энергии для которых служит реакция соединения железа и серы.

Коацерватные капли — это высокомолекулярные протеиновые структуры, которые появились из раствора с коллоидными частицами.

Подвижные генетические элементы — это автономные образования, содержащие информацию о структуре определенных протеинов и обеспечивающие возможность их перемещения из одной части генома в другую.

Сапрофитные бактерии — это микробы, использующие для питания органические вещества. Они являются антиподами паразитов.

Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.

Раскрашенное сканирование электронная микрофотография показывает устойчивость к карбапенемам Клебсиелла пневмонии взаимодействуя с человеком нейтрофил.

В эволюция из бактерии прогрессирует за миллиарды лет с тех пор, как Докембрийский время с их первым серьезным отклонением от архей/эукариотический происхождение примерно 3,2-3,5 миллиарда лет назад. [1] [2] Это было обнаружено путем секвенирования генов бактериального нуклеоиды реконструировать свои филогения. Кроме того, свидетельства перминерализованный микрофоссилий раннего прокариоты был также обнаружен в австралийском Апекс Черт скалы, датируемые примерно 3,5 миллиарда лет назад [3] в период, известный как докембрийское время. Это говорит о том, что организм в филюм Термотоги [4] был самым последним общим предком современных бактерий.

Дальнейшие химические и изотопный анализ древнего рока показывает, что Сидериан период, примерно 2,45 миллиарда лет назад, [5] кислород появился. Это указывает на то, что океанический, фотосинтетический Цианобактерии эволюционировали в этот период, потому что они были первыми микробами, которые производили кислород в качестве побочный продукт от их метаболический процесс. [6] Таким образом, этот тип считался преобладающим примерно 2,3 миллиарда лет назад. Однако некоторые ученые утверждают, что они могли жить еще 2,7 миллиарда лет назад. [7] поскольку это было примерно до Большое событие оксигенации, что означает, что уровень кислорода в атмосфере успел повыситься, прежде чем он изменил экосистема во время этого мероприятия.

Повышение содержания кислорода в атмосфере привело к развитию Протеобактерии. Сегодня этот тип включает в себя множество фиксация азота бактерии патогены, и свободноживущие микроорганизмы. Этот тип сформировался примерно 1,5 миллиарда лет назад во время Палеопротерозой эпоха. [8]

Однако до сих пор существует множество противоречивых теорий о происхождении бактерий. Хотя микрофоссилии древних бактерий были обнаружены, некоторые ученые утверждают, что отсутствие идентифицируемых морфология Наличие этих окаменелостей означает, что они не могут использоваться, чтобы делать выводы о точной временной шкале эволюции бактерий. Тем не менее, более поздние технологические разработки означают, что было обнаружено больше доказательств.

Раскрашенная электронная микрофотография, показывающая устойчивую к карбапенемам Klebsiella pneumoniae, взаимодействующую с нейтрофилом человека .

Эволюция от бактерий прогрессировала на протяжении миллиардов лет , так как докембрийское времени с их первой крупной дивергенцией от архой / эукариотической линии примерно 3,2-3,5 млрд лет назад. [1] [2] Это было обнаружено путем секвенирования генов бактериальных нуклеоидов для реконструкции их филогении . Кроме того, доказательства перминерализованных микрофоссилий ранних прокариот также были обнаружены в породах австралийской вершины Апекс-Черт , возраст которых составляет примерно 3,5 миллиарда лет назад [3] в период, известный как докембрийское время. Это говорит о том, что организм типа Thermotogae [4] был самым недавним общим предком современных бактерий.

Дальнейший химический и изотопный анализ древних горных пород показывает, что в сидерианский период, примерно 2,45 миллиарда лет назад [5], появился кислород. Это указывает на то, что океанические фотосинтезирующие цианобактерии эволюционировали в этот период, потому что они были первыми микробами, которые производили кислород как побочный продукт своего метаболического процесса. [6] Следовательно, этот тип считался преобладающим примерно 2,3 миллиарда лет назад. Однако некоторые ученые утверждают, что они могли жить уже 2,7 миллиарда лет назад [7], поскольку это было примерно до Великого события оксигенации. , что означает, что уровень кислорода в атмосфере успел повыситься, прежде чем он изменил экосистему во время этого события.

Повышение содержания кислорода в атмосфере привело к развитию протеобактерий . Сегодня этот тип включает множество азотфиксирующих бактерий, патогенов и свободноживущих микроорганизмов. Этот тип сформировался примерно 1,5 миллиарда лет назад в палеопротерозойскую эру. [8]

Однако до сих пор существует множество противоречивых теорий о происхождении бактерий. Несмотря на то, что микрофоссилии древних бактерий были обнаружены, некоторые ученые утверждают, что отсутствие идентифицируемой морфологии в этих окаменелостях означает, что их нельзя использовать для заключения точной временной шкалы эволюции бактерий. Тем не менее, более свежие технологические разработки означают, что было обнаружено больше доказательств.

Читайте также: