МИКРОБИОЛОГИЯ БИОЛОГИЯ ПРОКАРИОТОВ ТОМ I - А. В. ПИНЕВИЧ - 2006
ГЛАВА 2. МЕСТО БАКТЕРИЙ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ МЕГАСИСТЕМЕ
ОТ АНИМАЛЬКУЛЕЙ ЛЕВЕНГУКА, ЧЕРЕЗ СХИЗОФИТОВ КОНА И ПРОКАРИОТОВ СТЭНИЕРА ДО ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОГО ДОМЕНА BACTERIA ВОЗА
Ученый обязан считаться и с взглядами, противоречащими своим научным воззрениям; он должен взвешивать все мнения и выбирать только те, за которыми стоят самые веские доводы.
Л. С. Берг. Наука, ее содержание, смысл и классификация (Петроград, 1920).
Место бактерий в биологической мегасистеме окончательно определилось только в конце 1970-х годов, тогда как для растений и животных аналогичную задачу решил шведский ботаник Карл Линней (С. Linnaeus) еще в первой половине XVIII в.
Система Линнея развивала и углубляла идеи, которые содержались еще в сочинениях античных философов и натуралистов — Аристотеля (Aristoteles), Теофраста (Theophrastus), Тита Лукреция Кара (Titus Lucretius Саго) и Гая Плиния Старшего. Ее автор также использовал все ценное, что было в трудах корифеев ботаники, анатомии и физиологии XVI-XVII вв. — Везалия (A. Vesalius), Уоттона (Е. Wotton), Клюзия (C.Clusius), Чезальпино (A. Caesalpino), Мальпиги (М. Malpighi) и Сваммердама (J. Swammerdam). В наше время система Линнея распространяется на все клеточные организмы за исключением прокариотов.
Слишком долгое существование «внесистемной» классификации прокариотов, в частности бактерий, имеет глубокие причины, связанные с их размерами и особенностями строения. По мере изучения бактерий представления об их сущности неоднократно пересматривались, и это не могло не отразиться на их мегатаксономическом статусе.
2.1. Ранние взгляды на биологическую природу бактерий
Краеугольным камнем биологической классификации Карла Линнея служит дихотомия животных и растений. Поэтому неудивительно, что первоначально место для бактерий искали в царстве животных или растений.
Еще в античности главным признаком растений Plantae считали пассивное произрастание, т. е. жизнь особи на постоянном месте (лат. planto — сажать) при относительно быстром вегетативном росте. В свою очередь, главным признаком животных Animalia считали активное действие по внутреннему стимулу (лат. animo — возбуждать), или подвижную жизнь с относительно медленным увеличением размеров. Неудивительно, что первооткрыватель бактерий — Левенгук считал их «живыми зверьками» (лат. vivi animalculi). Наблюдая, как они быстро плавают, он не сомневался, что у них есть конечности (лат. manusculi), настолько миниатюрные, что их не видно в микроскоп. Левенгук еще называл бактерий «наливочными» животными, или «инфузориями» (лат. infusio — увлажнение), поскольку они накапливались в замоченном сене и других растительных настоях.
Линней был знаком с работами Левенгука, однако не нашел у «инфузорий» морфологических признаков, достаточных для того, чтобы их классифицировать как самостоятельную группу животных. Поэтому он назвал бактерий «сомнительными» видами (лат. specia dubia) и поместил их в «непознаваемый» род Chaos, где рядом также очутились протисты и плоские черви.
Исследователи второй половины XVIII в. не пытались классифицировать бактерий, и только немецкий протистолог Отто Мюллер (О. Müller) в своей книге «Animalcula infusoria fluviatilia et marina» (1786 г.) подразделил «инфузорий» на 18 родов по таким признакам, как: форма, подвижность, способность к образованию клеточных агрегатов и среда обитания. Среди описанных им родов были Monas и Vibrio — первые идентифицированные бактерии сферической и эллипсоидной формы, хотя туда попали и протисты со сходной морфологией.
В 1838 г. Христиан Эренберг использовал для анатомического изучения одноклеточных микроорганизмов усовершенствованную модель микроскопа с ахроматическими линзами. Из-за малых размеров бактерий он не смог разглядеть их морфологических деталей, однако считал, что они должны быть такими же, как у инфузорий. По внешним признакам он разделил бактерий на рода Bacterium, Monas, Spirillum, Spirochaeta и Vibrio. Названия некоторых из описанных им видов сохранились — например, Spirillum volutans и Spirochaeta plicatilis.Конкретизируя систему Эренберга, Дюжарден (F. Dujardin) впервые разграничил виды бактерий по форме и характеру подвижности. В частности, он разбил род Vibrio на четыре вида: V. bacillus, V. lineóla, V. rugula и V. serpens. В начале 1850-х годов Максимилиан Перти продолжил исследование в данном направлении и предложил названия для нескольких новых родов и видов бактерий.
До последней четверти XIX в. бактерий считали низшими животными. Однако в 1878 г. Карл Нэгели (С. von Nägeli) обнаружил, что Acetobacter xylinum и Sarcina ventriculi содержит целлюлозу, что позволило ему сделать вывод о кардинальном отличии бактерий от животных и их сходстве с растениями (у которых этот полимер универсален и входит в состав клеточных стенок).
Нэгели пересмотрел господствовавшие представления о таксономическом положении бактерий и переподчинил их растительному царству как класс Schizomyceae (греч. schizo — раскалывать пополам и лат. mycelium — грибница; «грибы, размножающиеся бинарным делением»).
Однако вскоре выяснилось, что Негели, как нарочно, столкнулся с редкими случаями синтеза бактериальной целлюлозы (которая к тому же откладывается снаружи, а не в составе стенок). Позже выяснилось, что бактерии действительно имеют клеточную стенку, однако она содержит не целлюлозу, а азотсодержащий полимер — муреин.
Тем не менее, из-за того, что у них есть клеточная стенка, бактерий поместили в группу низших растений (Thallophyta) и стали рассматривать их как примитивную группу «бесхлорофильных грибов-дробянок».
2.2. История систематики бактерии
Систематика бактерий является самой молодой и динамичной из всех биосистематик. Рациональность клеточного строения прокариотов, которую по неведению называют «простотой», связана с ограниченным набором морфологических признаков. Последних недостаточно для надежной и детализированной классификации по сравнению с классификацией высших эукариотов, которая в основном опирается на морфологию.
В отличие от систематики высших растений и животных, систематика бактерий не пользовалась палеонтологической летописью. Поэтому при разработке таксономической системы выбор критериев определялся арсеналом методов, которые были в распоряжении исследователей и позволяли анализировать только современных бактерий.
Выдающаяся заслуга в разработке классификации бактерий в 1870-е годы принадлежала Фердинанду Кону, ученику Христиана Эренберга. Он рассматривал бактерий как растений, находящихся в близком родстве с синезелеными водорослями, и разбил их по форме клеток на четыре «трибы» с шестью формами-родами:
— Sphaerobacteria (шаровидные бактерии; род Micrococcus);
— Microbacteria (палочковидные бактерии; род Bacterium);
— Desmobacteria (нитевидные бактерии; рода Bacillus и Vibrio);
— Spirobacteria (спиралевидные бактерии; рода Spirillum и Spirochaeta).
Более детальная классификация бактерий учитывала частности морфологии, а также некоторые физиолого-биохимические свойства; например, род Micrococcus был разбит на три группы видов по признаку пигментации («chromogen»), ферментативной активности («zymogen») и инфекционности («contagion»).
Однако взгляды Кона, убежденного, что ботаническая концепция вида распространяется на бактерии, разделяли не все микробиологи. Многие из них были уверены в том, что бактерии способны к самозарождению и им свойствен плеоморфизм (греч. plethos — множество и morphe — образ), т. е. склонность к неограниченным структурно-функциональным изменениям, в результате чего индивидуальный объект предстает в многообразии жизненных форм.
Для решения проблем промышленной и медицинской микробиологии необходимы были культуры бактерий. Ранние способы стерилизации были малоэффективными, и поэтому незасеянные среды постоянно зарастали. Но это объясняли не случайным попаданием микробов, а их спонтанным возникновением, или «самозарождением» в питательной среде. Допускалось, что бактерии спонтанно возникают и при химическом разложения растительных и животных тканей.
Гипотезу о самозарождении живых существ из «протоэлементов» (воды, земли и воздуха) или разлагающихся органических остатков высказывали еще в античности. Она, изложена, в частности, в сочинениях Аристотеля и Лукреция. Ее адепты считали, что живые организмы могут спонтнанно возникать из неорганического материала («абиогенез») или из продуктов жизнедеятельности других организмов («гетерогенез»). Поскольку этот процесс происходит случайным образом, участие родителей для него не требуется.
Одним из первых противников гипотезы самозарождения был Франческо Реди (F. Redi), который в середине XVII в. доказал, что черви не появляются на гниющем мясе de novo, а представляют собой личиночную стадию развития насекомых. В конце XVII в. Левенгук отрицал гипотезу самозарождения и считал, что зародыши «анималькулей» распространяются по воздуху. Во второй половине XVIII в. Нидэм (J. Т. Needham) и Спалланцани (L. Spallanzani) использовали для проверки возможности самозарождения кипячение питательных сред, однако не пришли к какому- либо определенному выводу. До середины XIX в. гипотезу самозарождения поддерживали такие авторитеты биологии, как Готтфрид Тревиранус, Отто Мюллер, Жан Батист де Ламарк, Фридрих Кютцинг и Феликс Дюжарден. В частности, Ламарк считал самозарождение механизмом, который служит начальным этапом эволюции жизни от более простых форм к более сложным.
После того, как Джон Тиндэл разработал метод температурной стерилизации жидких сред и предложил физико-химические способы стерилизации газов, окончательно выяснилось, что основным каналом распространения микробов служит атмосферный воздух. Луи Пастер, которому досталась роль могильщика гипотезы самозарождения, убедительно показал, что питательная среда остается стерильной, пока не контактирует с нестерильным воздухом. Для такого, как он, строгого детерминиста невозможность самозарождения имела принципиальное значение. В противном случае любая стерилизация была бы бесполезной, а бродильные производства и борьба с болезнетворными микробами зависели бы от случайности. В конце концов гипотеза самозарождения была дискредитирована, хотя принципиальную невозможность самозарождения бактерий нельзя доказать результатами конкретного эксперимента.
Помимо проблемы самозарождения, существовала и проблема постоянства форм бактерий. Поскольку методы элективных сред и приемы клонирования бактерий не были еще разработаны, экспериментаторы имели дело с культурами, зараженными посторонними бактериями, дрожжами и плесневыми грибами. В 1848 г. Карл Нэгели пришел к выводу, что категория биологического вида не распространяется на бактерий, поскольку они плеоморфны и при изменении внешних условий превращаются друг в друга. В лагере плеоморфистов собрались выдающиеся бактериологи — Галиер (Е. Hallier), Ланкастер (R. Lankaster) и Джозеф Листер. Сторонник крайнего плеоморфизма, Бильрот (Т. Billroth) предположил в 1874 г., что все бактерии являются воплощениями единственного вида— «Coccobacillus séptica». Сам он и его сторонники считали, что этот гипотетический микроб может адаптироваться к разным условиям существования, изменяя свою морфологию, в результате чего возникают микро-, мезо- и мегакокки, а также микро-, мезо- и мегабактерии (бактерии спиральной формы в этом плане не рассматривались). Листер допускал фантастическую возможность обратимой трансмутации патогенных бактерий в споры грибов. Однако Рэй Ланкастер уже в 1870-е годы был вынужден признать реальность видов у бактерий, хотя и оставался на позициях плеоморфизма. В свою очередь, к лагерю мономорфистов принадлежали Луи Пастер, Фердинанд Кон и Роберт Кох, а также Брефельд (O.Brefeld) и другие крупные бактериологи. И только когда Кон опубликовал результаты своих исследований жизненного цикла спорообразующих бацилл, а Кох разработал метод выделения чистых культур бактерий из отдельных колоний на твердой питательной среде, гипотеза плеоморфизма была окончательно отброшена.
Огромное влияние на развитие бактериологии оказал метод получения чистых культур путем пересева колоний, который Роберт Кох изобрел в 1881 г. Его сотрудник Гессе (W. Hesse) предложил в 1882 г. использовать для уплотнения среды агар-агар — не метаболизируемый большинством бактерий водорастворимый полисахарид, который образует красная водоросль Gelidium соrneum. Ричард Петри (R.Petri) придумал в 1887 г. гениально простое приспособление, с помощью которого бактерий можно культивировать в отсутствии воздушного заражения, или «чашку Петри». После введения чистых культур в повседневную практику микробиологических исследований было описано большое число новых видов бактерий.
В 1884 г. датский врач Ганс Грам (Н. С. Gram) предложил способ дифференциального окрашивания, позднее названный «окрашиванием по Граму» (англ. Gram staining). До настоящего времени на этом основывается начальная диагностика бактерий.
В 1890-1900-е годы было предпринято несколько попыток детализировать систематику бактерий. В системе Лемана (К. В. Lehmann) и Ноймана (R. Neumann), предложенной в 1896 г., бактерии были разбиты на порядки, семейства и рода по внешнему виду, ориентации плоскости деления, числу и расположению жгутиков и т.д. Главное внимание уделялось диагностике бактерий, интересных для медицины и микробиологического производства. Эти авторы заодно описали новые рода Actinomyces, Corynebacterium и Vibrio.
В 1897 г. Мигула (W. Migula) разработал систему, объединявшую все виды, известные к концу XIX в. В ее основе лежали принципы морфологической классификации, предложенные Коном еще в 1870-е годы. Однако на сей раз в диагнозы видов были включены культуральные признаки, прежде всего потребность в определенных питательных субстратах.
По мере развития цитофизиологических и биохимических методов в руках бактериологов оказалось оружие, которое раньше пускали в ход только при изучении высших организмов. С этого момента для классификации бактерий начали использовать не только морфологические, но и функциональные, а также хемотаксономические признаки.
Однако, чтобы определить генеалогические связи между группами бактерий и, в конечном счете, реконструировать филогенетическое древо, предстояло ранжировать признаки по степени архаичности, т. е. определить, какие из них были приобретены в процессе эволюции раньше, а какие — позже.
При решении этой задачи ведущая роль сначала отводилась общей физиологии. В 1909 г. Орла-Йенсен (S. Orla-Jensen) высказал предположение, что к примитивным физиологическим признакам относится автотрофия, и поэтому самыми архаичными среди бактерий должны быть автотрофы.
Противоположной точки зрения придерживались Прингсхейм (Е. G. Pringsheim), Бьюкенен (R. Е. Buchanan), а также Альберт Клюйвер и Корнелис Ван Ниль (С. van Niel). Последние два исследователя разработали в 1936 г. гипотетическую схему эволюции бактерий, где кокки рассматривались как первичный морфотип, от которого произошли палочковидные бактерии, извитые бактерии и т. д. Эту позицию в 1933 г. афористически сформулировал Прево (A. R. Prévôt): «Морфология главенствует над физиологией».
Со второй половины 1950-х годов в систематику бактерий проник «нумерический» метод, который предложил еще в 1763 г. французский ботаник Мишель Адан- сон (М. Adanson). Идея заключалась в том, что все признаки считаются равноценными, и мера родства определяется числом их совпадений. При использовании этого метода во второй половине XX в. были построены дендрограммы родства по фенотипическим признакам, с целью чего серия параметров, определенных для большого количества сравниваемых объектов, подвергалась машинной обработке. Однако постулат о равноценности признаков не согласуется с генетическими основами микро- и макроэволюции и поэтому ограничивает возможности нумерической классификации только таксонами низкого ранга. В начале 1960-х годов для классификации бактерий стали впервые использовать тотальную характеристику ДНК — молярный %ГЦ-пар, а в конце 1960-х годов для этой цели впервые был применен метод ДНК-ДНК гибридизации.
Первая возможность создать естественную систему бактерий появилась только в середине 1970-х годов. До этого критерии высших таксонов выбирались субъективно, и составители руководств по систематике бактерий разбивали их на удобные для распознавания искусственные группы. Этим группам давали тривиальные имена, а не легитимные таксономические названия.
Теперь же для реконструкции эволюционных отношений стали применять методы «молекулярной хронометрии», основанные на составлении каталогов или библиотек нуклеотидных последовательностей коротких фрагментов рРНК. Начиная с середины 1980-х годов для этой цели используются результаты полного секвенирования рРНК.
Из-за лавинообразного роста информации о новых видах бактерий их описание стало задачей, непосильной не только для «универсального» автора, но даже для нескольких соавторов, которые были бы компетентны сразу в нескольких разделах бактериологии.
С начала 1920-х годов ведущим руководством по идентификации и систематике бактерий стал «Определитель бактерий Берги» (Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology), названный по имени американского бактериолога Дэвида Берги (D. Н. Bergey), возглавившего редакционный совет первых четырех изданий. Хотя Американское общество бактериологов запланировало «Определитель» как свое внутриведомственное руководство, и до настоящего времени оно издается за счет финансовой поддержки независимого фонда, учрежденного в 1936 г., скоро стало ясно, что это — научный проект международного масштаба.
Как и в случае ботанико-зоологической номенклатуры, до середины XX в. во всех системах бактерий использовали правила, восходящие к «Species Plantarum» Карла Линнея (1753). На первом Международном микробиологическом конгрессе, состоявшемся в 1930 г. в Париже, была учреждена Комиссия по номенклатуре и таксономии бактерий, которая в 1948 г. опубликовала Международный кодекс номенклатуры бактерий (International Code of Nomenclature of Bacteria, ICNB; пересмотренная версия — 1992 г.). Его положения, регулируемые Международным комитетом по систематике бактерий (International Committee on Systematic Bacteriology, ICSB), повторяют правила бинарной ботанической номенклатуры, хотя с некоторыми изменениями — в частности, номенклатурным типом считается живая культура, а не гербарный образец, и для легитимизации нового таксона не требуется латинский диагноз.
Первые описания бактерий были фрагментарными и часто дублировали друг друга, и случалось, что бактерии получали сразу по нескольку названий. С другой стороны, иногда под одним и тем же именем выступали разные бактерии. Поэтому решили пересмотреть все диагнозы и после публикации в 1980 г. «Списка признанных названий бактерий» (Approved Listof Bacterial Names) перенесли дату рождения номенклатуры бактерий с 1 мая 1753 г. на 1 января 1981 г.
На протяжении 50 лет «Определитель Берги» выдержал восемь изданий (1923, 1925, 1930, 1934, 1939, 1948, 1957 и 1974), которые неизменно дополнялись и перерабатывались.
В 1977 г. вышел краткий вариант 8-го издания «Определителя Берги» (есть русский перевод 1980 г.). В нем изложены принципы классификации бактерий, приведено описание всех родов и таксонов более высокого ранга, даны ключи и таблицы с диагнозами видов, а также воспроизведен весь иллюстративный материал.
Начиная с 9-го издания «Берги» выпускается в виде двух самостоятельных руководств, которые преследуют разные стратегические цели и соответственно различаются по структуре и объему.
Девятое американское издание «Определителя Берги» 1994 г. (есть русский перевод 1997 г.) предназначалось для практической идентификации по таблицам, содержащим основные сведения о бактериальных фенотипах. Независимо от него в 1984-1989 гг. было опубликовано четырехтомное «Руководство Берги по систематике бактерий». Оно содержит фундаментальные сведения об анатомии, физиологии и фенотипической систематике бактерий (на этом этапе к бактериям относили и архей, которые позднее были выделены в самостоятельную группу прокариотов).
По типу клеточной оболочки, царство Procaryotae было разбито на четыре отдела:
— Gracilicutes (грамотрицательные);
— Firmicutes (грамположительные);
— Mollicutes (микоплазмы);
— Mendosicutes («архебактерии»).
Независимо от этого прокариоты были разбиты на 33 квазитаксономические группы, или Секции (англ. Section). Диагноз Секций основан на таких фенотипических признаках, как форма клетки, образование чехла, реакция по Г раму, тип энергетического метаболизма, отношение к кислороду и наличие дифференцированных стадий в жизненном цикле:
— спирохеты (1);
— аэробные/микроаэрофильные, подвижные, спиральные/вибриоидные грамотрицательные бактерии (2);
— неподвижные (редко подвижные) грамотрицательные искривленные бактерии (3);
— грамотрицательные аэробные палочки и кокки (4);
— факультативно анаэробные грамотрицательные палочки (5);
— анаэробные грамотрицательные прямые, искривленные и спиральные палочки (6);
— бактерии, осуществляющие восстановление сульфата или серы (7);
— анаэробные грамотрицательные кокки (8);
— риккеттсии и хламидии (9);
— микоплазмы (10);
— бактерии-эндосимбионты протистов, насекомых и грибов (11);
— грамположительные кокки (12);
— грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры (13);
— не образующие эндоспор грамположительные палочки правильной формы (14);
— не образующие эндоспор грамположительные палочки неправильной формы (15);
— микобактерии (16);
— нокардиоподобные бактерии (17);
— аноксигенные фототрофные бактерии (18);
— оксигенные фотосинтезирующие бактерии (19);
— аэробные хемолитотрофные бактерии и близкие к ним организмы (20);
— почкующиеся и/или имеющие придатки бактерии (21);
— бактерии, имеющие чехол (22);
— нефотосинтезирующие, не образующие плодовых тел скользящие бактерии (23);
— образующие плодовые тела скользящие бактерии: миксобактерии (24);
— архебактерии (25);
— актиномицеты (26-33).
Принципиально переработанное 2-е издание «Руководства Берги по систематике бактерий» запланировано как пятитомник. Оно основано на иной концепции мегатаксонов. Прокариоты подразделяются на филогенетические «домены» бактерий и архей. Домены, в свою очередь, состоят из «фил». Главным критерием различия доменов и интрадоменных фил служат не фенотипические признаки, а дивергенция нуклеотидных последовательностей генов рРНК.
Достоинство такой системы состоит в том, что она объективна, поскольку отражает эволюционные связи.
Однако родословная классификация не совпадает с практически удобной фенотипической классификацией. Многие филы представляют собой набор контрастных форм, в то же время сходные формы иногда оказываются в составе разных фил (гл. 7).
Хотя современная классификация бактерий все сильнее опирается на данные геномного анализа, классификация на уровне низших таксонов и, прежде всего, на уровне вида основана на компромиссном подходе. Он называется «многофакторным», или «полифазным» (англ. polyphasic). При его использовании учитываются разнообразные фенотипические признаки, а также информационные признаки генотипа, среди которых ведущее место отводится первичной структуре 168 рРНК.
2.3. Дихотомическая метасистема. Бактерии как прокариоты
На рубеже Х1Х-ХХ вв. окончательно стало ясно, что бывают клетки с ядром и клетки без ядра.
То, что «ядерный» критерий исключительно важен для мегасистематики, первым понял Фердинанд Кон. В 1870-е годы он отнес всех микроорганизмов, размножающихся бинарным делением, к отделу «Schizophyta». Туда попали бактерии, или класс Schizomyceae (см. раздел 2.1) и синезеленые водоросли, или класс Schizophусеае (греч. schizo — раскалывать пополам и phycos — морская трава; «водоросли, размножающиеся бинарным делением»).
Ведущим признаком отдела Schizophyta, помимо размножения бинарным делением, стало отсутствие ядра. Таким образом, Кон вплотную подошел к идее о глобальной дихотомической классификации, хотя формулировка ее в 1937 г. Принадлежит Эдуару Шатону (см. «Введение»). Однако с публикацией Шатона были знакомы те немногие специалисты, кто читал труды средиземноморской биостанции Сэт (Sete). Роджер Стэниер узнал о ней только в 1962 г. от Андрэ Львова, своего коллеги по Пастеровскому институту в Париже.
Термин «ядро» (лат. nucleus) ввел в 1833 г. английский ботаник Роберт Браун (R. Brown). Примерно в то же время австрийский зоолог Иоганн Пуркинье (J. Purkinje) предложил термин «протоплазма» (греч. proteros — первичный и plasma — оформленное тело; «первичное оформленное тело»), хотя фактически его ввел в 1844 г. немецкий ботаник Гуго Моль (Н. von Mohl).
В 1870-е годы было показано, что ядро растений воспроизводится делением, и новые ядра переходят в дочерние клетки. Тогда же, по предложению немецкого ботаника Страсбургера (E.Strasburger), в качестве синонима для обозначения протоплазмы, или окружающей ядро субстанции стали использовать термин «цитоплазма» (греч. kitos — сосуд и plasma — оформленное тело; «клеточная протоплазма»).
В начале 1880-х годов немецкий гистолог Флеминг (W. Flemming) дал первое описание кариокинеза у животных и предложил использовать для обозначения процесса непрямого деления ядра термин «митоз» (греч. mitos — нить). Термины, обозначающие отдельные стадии, или фазы митоза (профаза, анафаза и т. д.) ввел Эдвард Страсбургер.
В конце 1860-х годов немецкий биохимик Мишер (F. Miescher) выделил из гноя белковые маркеры ядра — гистоны, а также «нуклеин» —ядерный материал, обладающий кислотными свойствами. То, что в состав «нуклеина» входят азотистые основания, установил в конце 1870-х годов немецкий биохимик и физиолог Коссель (A. Kossel, Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1910 г.). Тогда же Пауль Эрлих открыл в опытах in situ внутриядерную субстанцию, имеющую высокое сродство к гематоксилину и анилиновым красителям. Для ее обозначения Флеминг предложил использовать термин «хроматин» (греч. chroma — краска).
В 1888 г. немецкий цитолог Вальдейер (W.Waldeyer) назвал хроматиновые структуры «хромосомами» (греч. chroma — краска и soma — тело). С помощью генетических экспериментов в 1920-е годы было установлено, что хромосомы являются носителями генов. Американский генетик Томас Морган (Т. Н. Morgan, Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1933 г.) открыл основной механизм генетической рекомбинации в ядерных клетках — мейотический кроссинговер (англ. crossig over).
Долгие поиски ядра у бактерий не дали ожидаемого результата. Оставалось предположить, что протопласт бактерий имеет примитивное строение и не дифференцирован на ядро и цитоплазму.
Напомним, что клеточную теорию обосновал немецкий зоолог Теодор Шванн в 1839 г. В его знаменитой книге «Mikroskopische Untersuchungen über die Uebereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen» ядро рассматривается как неотъемлемая часть клетки — conditio sine qua non (лат. — непременное условие). Поэтому не следует удивляться тому, что фито- и зооморфологи пытались экспериментально доказать, что бактерии имеют ядро или хотя бы его морфологический эквивалент. В последней четверти XIX в. — первой половине XX в. при работе с бактериями использовали специальные красители для выявления ядерной субстанции и методы приготовления световых препаратов, уже отработанные на животных и растениях. При этом у бактерий искали и «находили» не только ядро, но и метафазные хромосомы, а также отдельные фазы митоза. При этом за ядро принимали полифосфатные включения, а участки более интенсивного окрашивания цитоплазмы считали хромосомами. Если «ядро» не находили, то это объясняли мелкими размерами бактерий, повреждениями при подготовке препаратов и недостатками методики окрашивания.
Однако общее мнение постепенно склонялось к тому, что у бактерий нет ядра, а его роль играет распределенная по всей клетке ядерная субстанция. Допускали и другую возможность — что бактериальная клетка дифференцирована на тонкий периферический слой цитоплазмы и конденсированное «центральное тело» — эквивалент ядра с хроматиновыми скоплениями, которые распределяются между дочерними клетками в отсутствии образования митотических фигур.
Наряду с этим, во второй половине XIX в. высказывались более экзотические предположения о внутреннем строении бактерий. Например, немецкий цитолог Бючли (О. Bütschli) считал, что бактерия представляет собой лишенную цитоплазмы клетку-ядро.
Что касается самих микробиологов, то они интуитивно воспринимали бактерий как самостоятельную группу живых организмов, не относящихся к царствам протистов, грибов, растений и животных. Независимо от того, как решался вопрос о месте бактерий в таксономической системе, большинство микробиологов предпочитало рассматривать их как прямых потомков «цитод» — безъядерных протоклеток с примитивным уровнем организации (греч. kitos — сосуд и eidos — подобие; «подобный клетке»).
Идею о цитодах выдвинул еще в 1860-е годы немецкий натуралист Эрнст Геккель (Е. Haeckel). Он рассматривал их как вымершее переходное звено между неживой и живой материей.
Однако на том этапе развития микробиологии невозможно было дать правильный ответ на вопрос, существует ли ядро у бактерий или нет. Основная причина заключалась в ограниченных возможностях светового микроскопа, разрешающая сила которого не позволяла увидеть ультраструктуру бактериальной клетки.
Переход на новый методический уровень состоялся в 1930-1950-е годы, когда было налажено промышленное производство электронных микроскопов, а также были изобретены специальные методы фиксации, обезвоживания и заливки материала в полимерные смолы. Это позволило получать ультратонкие срезы, отдельные части которых по-разному задерживают сфокусированный пучок быстрых электронов. В конце 1960-х годов было показано, что истинное ядро имеет двойную мембранную оболочку, которая служит границей между ДНК-содержащими структурами и цитоплазмой. Оказалось, что ядерная клетка не только окружена мембраной, но и содержит внутреннюю систему элементарных мембран.
Скоро выяснилось, что физическая граница ядра, образованная двойной мембранной оболочкой, отсутствует у «истинных» бактерий и актиномицетов, а также у синезеленых водорослей, которых в то время относили к объектам ботаники. Кроме того, было установлено, что у прокариотов не происходят процессы, типичные для ядерных клеток — обратимая конденсация хромосом в ходе клеточного цикла с расхождением сестринских хроматид при митозе и сегрегация гомологичных хромосом при мейозе. Низкую плотность хроматина бактерий по сравнению с хроматином ядерных организмов отмечали еще благодаря световой микроскопии в конце XIX — начале XX в.
В 1930-е годы идея Эдуара Шатона о глобальной дихотомии прокариотов и эукариотов осталась незамеченной еще потому, что никто не подозревал о роли мембран в компартментализации клетки. Когда цитология перешла на ультраструктурный уровень исследований, оказалось, что ядро имеет мембранную оболочку, которая не только изолирует хроматин, но и контролирует его поведение в онтогенезе.
В середине 1960-х годов Роджер Стэниер вернулся к идее глобальной дихотомии, но уже на новом уровне — с учетом достижений генетики, биохимии и электронной микроскопии.
Критерии, которые использовали его предшественники (способ размножения, тип питания и т. д.), не позволяли рассматривать бактерий как самостоятельную группу живых организмов. Ситуация объективно усложнялась тем, что бактерии очень разнообразны по морфологии. Одни (нитчатые актиномицеты) внешне напоминают мицелиальные грибы. Другие (образующие окрашенные плодовые тела миксобактерии) похожи на миксомицеты, третьи (с клетками сферической или эллипсовидной формы, растущие на сахарах) — на дрожжи, четвертые (цианобактерии) — на водоросли, пятые (крупные подвижные бациллы) — на ресничных инфузорий и т. д. Поэтому на разных этапах развития микробиологии бактерий поочередно относили к царствам протистов, Fungi, Plantae и Animalia. Кажущееся отсутствие цитологической специфики не позволяло ответить на вопрос «quid est bacterium» (лат. — что есть бактерия) и четко объяснить, чем бактерии отличаются, например, от инфузорий или дрожжей-сахаромицетов.
Роджер Стэниер развил идею Эдуара Шатона о двух глобальных морфотипах и впервые объяснил специфику строения бактерий. Одновременно с этим он определил место бактерий в таксономической иерархии, предложив рассматривать термины «прокариоты» и «бактерии» в качестве синонимов. И, наконец, он подразделил клеточные существа на два царства — царство ядерных организмов (regnum Eucaryotae) и царство прокариотов-бактерий (regnum Procaryotae).
Таким образом, в рамках дихотомической мегасистемы бактерии рассматриваются как таксон Procaryotae.
Стэниер был вынужден признать, что большинство характеристик бактерий носит негативный характер (отсутствие ядра, полового процесса, секреции с помощью аппарата Гольджи, вакуолей, фагоцитоза и пиноцитоза, амебоидного движения и тока цитоплазмы, цитоплазматических эндосимбионтов и полуавтономных органелл и т. д.). Тем не менее, он не говорил о «примитивности» бактериальной клетки. Напротив, он подчеркивал, что прокариоты с эукариотами принадлежат к разным типам клеточной организации и что у прокариотов имеются структуры и функции, отсутствующие у эукариотов (неунитарные мембраны, функциональные включения, хемосинтез, диазотрофия и т. д.).
Поскольку Стэниер очень убедительно аргументировал свою позицию, «прокариотная» концепция распространилась далеко за пределы бактериологии, а реанимированные им термины «прокариоты» и «эукариоты» были включены в биологический словарь. Однако если их понимать буквально или поверхностно, ошибочные выводы неизбежны.
2.4. Многозначность термина «Прокариоты»
Термин «прокариоты» обычно расшифровывают как «тип клеточного строения, характеризующийся отсутствием оформленного ядра». Однако греческая приставка pro- многозначна, и поэтому термин «прокариоты» можно прочесть по-разному:
— клетки, которые содержат «проще устроенное ядро»;
— клетки, которые содержат структуру, «заменяющую ядро»;
— клетки, которые содержат «эволюционный предшественник ядра».
Насколько эти смысловые варианты согласуются с цитологическими данными, а также с представлениями о филогении клеточных организмов?
Можно ли говорить о том, что прокариоты содержат «проще устроенное ядро»? Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно в общем виде сравнить строение и компартментализацию хроматина у эукариотов и прокариотов.
Ядро — это один из дифференцированных компартментов у тех организмов, которые принадлежат к филогенетическому домену Еuсаrуа. Оно содержит нуклеоплазму и субъядерные структуры (богатый белком хроматин, ядрышковый организатор, сплайсосомы, ламину и т. д.), имеет относительно жесткую оболочку с порами, и его можно выделить в интактном состоянии. Ядро является уникальной органеллой, в отношении которой соблюдается принцип «все или ничего».
У прокариотов отсутствуют все перечисленные признаки ядра. Их хроматин беден белком и представляет собой «голую» ДНК, которая компактно уложена и находится непосредственно в цитоплазме. Поэтому структуру, в состав которой входит генетический материал прокариотов, можно рассматривать как альтернативу ядра и, до определенной степени, как его функциональный эквивалент.
В 1892 г. немецкий альголог Гиеронимус (G. Hieronymus) предложил называть «центральное тело» бактерий и синезеленых водорослей «открытым» ядром (нем. offene Zellkern) в противоположность «закрытому» ядру высших организмов (нем. geschlossene Zellkern). По части логики эта идея неудачна, так как суть ядра заключается именно в его замкнутости, т. е. относительной изоляции от цитоплазмы. Однако это был интуитивный шаг на пути к современным представлениям о компартментализации бактериальной клетки.
Поскольку ядро устроено, в общем, стандартно, приставка эу- (греч. ev — настоящий) в термине «эукариоты» явно лишняя. В современной литературе уже часто встречается исправленный термин «кариоты» (греч. саrуоn — ядро; «ядерные»).
Допустимо ли придавать термину «прокариоты» с смысловой оттенок «структура, заменяющая ядро»? Да, поскольку способ компартментализации генетического материала у прокариотов принципиально иной по сравнению с ядерными организмами. В бактериологической литературе широко используется термин «нуклеоид» (лат. nucleus — ядро и греч. eidos — вид), однако не следует говорить о подобии ядру. По отношению к прокариотам Тем более нельзя использовать такие термины, как «ядро», «эквивалент ядра», «ядерное тело», «ядерная область» и «нуклеоплазма».
ДНК-содержащие структуры бактерий называются хромосомами. По отношению к бактериям используется еще и термин «генофор» (греч. genos — происхождение и phoros — несущий; «носитель генов»), который в 1968 г. предложил английский генетик Хэйес (W. Hayes). Однако этот термин несет не цитологический, а информационный смысл.
Наконец, можно ли сообщать термину прокариоты смысловой оттенок — «эволюционный предшественник ядра»? Иными словами, существует ли эволюционная преемственность между прокариотами и эукариотами?
На этот вопрос дается отрицательный ответ. Но хотя бактерии не были эволюционными предшественниками самих эукариотов, они являются эволюционными предшественниками их цитоплазматических органелл — митохондрий и пластид.
До середины 1970-х годов господствовало представление о том, что эволюционное древо клеточных организмов разветвляется на два ствола. Один из них — это ствол эукариотов, под которыми понимали ядерные клетки с полуавтономными органеллами (митохондриями и пластидами). Другой — это ствол прокариотов-бактерий. Предполагалось, что прокариоты-бактерии образуют монофилетическую группу. Единство происхождения ядерных организмов сомнений не вызывало.
Общим прототипом клеточных организмов считали архаических бактерий. В 1960-1970-е годы был предложен ряд гипотетических сценариев, согласно которым эукариоты произошли благодаря постепенной компартментализации бактериальной клетки. Канадский ботаник Фрэнсис Тейлор (F. Taylor) назвал это «автогенезом» (греч. avtos — сам и genos — происхождение). Согласно гипотезе автогенеза, ядерная оболочка, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы и другие компартменты эукариотов возникли в результате дифференциации участков цитоплазматической мембраны, которые разрастались и инвагинировали в цитоплазму. Происхождение митохондрий и пластид связывали со специализацией отдельных участков цитоплазматической мембраны и их превращением в преобразователи химической и световой энергии.
В конце XIX — начале XX в., задолго до появления гипотезы автогенеза, русский ботаник А. С. Фаминцын, русский зоолог К. С. Мережковский и немецкий ботаник Шимпер (A. Schimper) предложили альтернативный сценарий эволюционного происхождения пластид и митохондрий — гипотезу симбиогенеза (греч. sym — вместе, bios — жизнь и genos — происхождение). Позднее Фрэнсис Тэйлор назвал этот сценарий «ксеногенезом» (греч. xenos — чужой и genos — происхождение).
В соответствии со сценарием симбиогенеза, пластиды и митохондрии являются потомками эндосимбиотических бактерий, которые потеряли способность к автономному существованию и специализировались для снабжения клетки-хозяина энергией и органическими веществами.
Многие годы симбиогенез рассматривали как фантастический сценарий. В лучшем случае считали, что он не имеет фактических доказательств. Ему предпочитали «более правдоподобный» сценарий автогенеза. Однако в настоящее время симбиогенез пластид и митохондрий полностью подтвержден результатами сравнительного анализа гена 16S рРНК.
В начале 1980-х годов идею симбиогенеза реанимировала американский микробиолог Маргелис (L. Margulis). Она чересчур детализировала симбиогенетический сценарий и даже назвала современных бактерий (микоплазмы, спирохеты, цианобактерии, прохлорофиты и гелиобактерии), которые, по ее мнению, являются предшественниками соответственно цитоплазматического компартмента и жгутиков, а также пластид, содержащих хлорофилл с. Однако вскоре было показано, что бактерии действительно являются эволюционными предшественниками пластид и митохондрий, но не других органелл эукариотной клетки.
С одной стороны, данные, полученные с помощью молекулярно-биологических методов, подтвердили гипотезу Фаминцына — Мережковского — Шимпера об эндосимбиотическом происхождении пластид и митохондрий. С другой стороны, была доказана несостоятельность гипотезы о происхождении эукариотов от бактерий.
По современным данным, глобальное эволюционное древо разветвляется не на два, а на три ствола. Два прокариотных ствола, бактерии и археи, сформировались независимо друг от друга. Что касается эукариотов, то они возникли не как отдельная ветвь ствола бактерий, а представляют собой третий ствол.
2.5. Бактерии как филогенетический домен Bacteria
Крушение дихотомической системы произошло в середине 1960-х годов. Появились данные, идущие в разрез с постулатом о монофилетичности прокариотов, а также не подтверждающие гипотезу об эволюционной преемственности между бактериями и эукариотами.
Если раньше биохимические характеристики использовались в качестве рядового таксономического признака, то теперь секвенирование белков и нуклеиновых кислот стало главным оружием хемосистематики. Полученные результаты позволили реконструировать филогенетические связи на всех уровнях эволюционного древа — от основания ствола до верха кроны.
В 1965 г. американские биохимики Полинг (L. Pauling, Нобелевская премия по химии, 1954 г.) и Закеркендл (Е. Zuckerkandl) пришли к принципиально новой идее о «молекулярной палеонтологии». Они поняли, что филогению можно изучать не только путем сравнения фенотипов, но и путем сравнения физической структуры геномов. Такая задача трудна и в наши дни, а тогда об этом не могло быть и речи. Поэтому в качестве индикаторов филогении предлагалось выбрать наиболее консервативные гены или закодированные в них белки.
Полинг и Закеркендл считали, что эволюция консервативных белков, происходящая путем накопления случайных мутаций, тесно связана с эволюцией генотипа в целом. Поэтому сравнение аминокислотных последовательностей таких белков у разных организмов служит мерой дистанции между видами и таксонами более высокого ранга.
Если допустить, что скорость мутирования относительно постоянна, то в качестве хронометра можно использовать макромолекулы, первичная структура которых несет в себе наследственную информацию. Они называются «семантидами» (греч. semaine — печатать и eidos — подобие). Этот хронометр объективно показывает время, прошедшее с момента дивергенции объектов А и В, т. е. эволюционная дистанция оценивается по гомологии семантид.
Основные требования к семантиде определяются характером задачи и способом ее решения. В зависимости от круга объектов, можно использовать разные типы семантид. Первое место занимают архаические, повсеместно распространенные семантиды. Более ограниченное применение имеют семантиды, поздно приобретенные в ходе эволюции. Наконец, информационная емкость семантиды, которая грубо оценивается величиной молекулярной массы, должна быть достаточно большой (иначе эффект случайной позиционной замены окажется слишком выраженным) и одновременно с этим — умеренной (чтобы не создавать технических проблем при дешифровке).
В качестве семантид первоначально анализировали белки и полипептиды, поскольку молекулярная биология в 1960-е годы опиралась главным образом на достижения химии белка. Выбор материала для оценки молекулярной гомологии был неслучайным. В первую очередь, секвенировали цитохромы — редокс-ферменты, играющие ключевую роль в энергетическом метаболизме и практически универсальные.
С развитием молекулярной биологии нуклеиновых кислот полипептиды стали реже использовать в качестве семантид. Среди исключений можно назвать субъединицы Н+-транспонирующих АТФаз, ферредоксины, фактор рекомбинации RecA и молекулярные шапероны.
Сравнительные результаты, полученные при секвенировании белков, нашли применение в частной классификации бактерий, однако не оказали заметного влияния на мегасистематику.
В середине 1970-х годов Карл Воз предложил новый метод для анализа молекулярной филогении, основанный на секвенировании не белков, а нуклеиновых кислот. Показателем дивергенции служили не аминокислотные последовательности белков, а нуклеотидные последовательности универсально распространенных генов.
В качестве семантид были выбраны рРНК, т. е. полинуклеотиды, входящие в состав рибосом. Попарно сравнивались рРНК малой или большой субъединиц. В случае прокариотов это 16S рРНК и 23S рРНК, а в случае эукариотов— 18S рРНК и 28S рРНК.
Первоначально метод Воза заключался в секвенировании олигонуклеотидов с числом оснований 5-17, которые можно было получить из рРНК после обработки мелкорасщепляющей эндонуклеазой. Затем определяли нуклеотидные последовательности для фрагментов одинаковой длины, или «изоплит» (греч. isos — равный и plevra — сторона). Из этих «слов» составляли «каталоги» для каждого объекта и сравнивали их попарно. Итогом сравнения служил «коэффициент подобия» (сокр. англ. similarity quotient; SAB), максимальное значение которого составляло 1,0 (100%). С учетом коэффициента подобия строились эволюционные деревья — дендрограммы.
По мере развития методов секвенирования от этого примитивного способа перешли на регистрацию позиционных совпадений в двух полинуклеотидных цепях. Для этого проводится операция «выравнивания» (англ. alignment — равнение в военном строю).
После того, как была открыта полимеразная цепная реакция (англ. polymerase chain reaction, PCR), появилась возможность амплифицировать практически любые участки генома. Для этого используются специфические праймеры, и полученные «амплификоны» либо сразу анализируют, либо приходится их дополнительно клонировать в бактериальной плазмиде. В обоих случаях все завершается «прочтением» последовательности на автоматическом секвенаторе.
Благодаря усовершенствованию этой методики на смену сравнительного анализа полноразмерного структурного гена рРНК («рДНК») размером в 500-2500 т. п. н. пришел сравнительный анализ всего оперона рРНК. Обработку данных стали осуществлять при помощи специальных компьютерных программ, позволяющих путем выравнивания нефрагментированных нуклеотидных последовательностей оценить совпадение анализируемого амплификона с последовательностью, депонированной в банке данных Genbank.
В пользу выбора именно рДНК на роль главного филогенетического маркера Воз и его последователи выдвигают одни и те же доводы:
— возникновение рибосом одновременно с клеткой и их безальтернативная роль в биосинтезе белка, следствием чего является их универсальность;
— присутствие высококонсервативных и относительно более вариабельных участков в полинуклеотидной цепи рРНК, что дает возможность оценивать, как архаические, так и позже сложившиеся эволюционные связи;
— «изохронность», т. е. одинаковый темп дивергенции рибосомных генов вследствие постоянной скорости их мутирования у разных организмов, что исключает возможность ошибочной интерпретации быстро мутирующих «тахителических» (греч. tachos — быстрый и telos — результат) последовательностей как более архаичных, а медленно мутирующих «брадителических» (греч. bradis — медленный и telos — результат) последовательностей как менее архаичных;
— редко наблюдаемый горизонтальный перенос рДНК, что позволяет хронометрировать только дивергентную эволюцию.
Первый и второй аргументы не вызывают принципиальных возражений. Два других противоречат фактам, которые свидетельствуют о гетерохронной эволюции рибосомных генов, а также о часто наблюдаемом у прокариотов явлении «горизонтального» переноса генов. Этот рекомбинационный процесс может затрагивать даже гены, кодирующие рРНК.
Тем не менее, продуктивность подхода к анализу глобальной филогении, предложенного Возом, не вызывает сомнения, а полученные выводы служат краеугольным камнем современной мегаклассификации.
Уже самые первые результаты Карла Воза показали, что дихотомия прокариотов и эукариотов — это искусственная конструкция, которая не соответствует реальной эволюции геномов. Оказалось, что глобальное филогенетическое древо имеет, по меньшей мере, тритомическую структуру (рис. 2).
Стволы глобального древа соответствуют филогенетическим мегатаксонам, которые Воз назвал «доменами» (греч. domos — дом, семья). Термин «домен» совершенно не устраивает тех, кто привык к терминам «царство» (лат. Regnum) и «надцар-
ство» (лат. Superregnum). Кроме того, он гораздо раньше использовался в химии, кристаллографии и физике электромагнитных явлений. Тем не менее, он прочно обосновался в биологическом словаре и даже официально введен в 2001 г. во 2-е издание «Руководства Берги по систематике бактерий».
Домен Bacteria сформировался раньше двух остальных и поэтому он имеет право претендовать на титул самого архаичного из трех доменов. Домен Archaea, вопреки своему названию (греч. archaios — древний), дивергировал с доменом Еuсаrуа уже после того, как бактерии отделились от основания ствола филогенетического древа (рис. 2).
Рис. 2. Схема глобального филогенетического древа. А — археи; В — бактерии; С — эукариоты.
Результаты палеомикробиологических исследований свидетельствуют о том, что возраст древнейших ископаемых цианобактерий приближается к 3,5 млрд лет. Это противоречит выводам молекулярной палеонтологии, согласно которым три глобальных филогенетических домена дивергировали 1,5 млрд лет назад (такой вывод основан на расчетах общего числа позиционных замен нуклеотидов при известном среднем темпе мутирования — 1% дивергенции последовательностей гена 16S рРНК эквивалентен эволюционной дистанции в 50 млн лет). Истинная причина слишком большого хронологического несоответствия остается неясной. Возможно, что эволюция в начале была медленной и, таким образом, к основному постулату молекулярной палеонтологии — изохронности генной родословной — следовало бы относиться критически.
Домены Bacteria и Archaea состоят из ветвей, соответствующих филогенетическим таксонам — «филам» (греч. phyle — племя). Общие характеристики фил, а также их представителей приводятся в гл. 7.
Среди прокариотных фил есть не только фенотипически охарактеризованные, но и «фантомные» филы. Последние обособлены на основе прямого анализа генных структур, при полном отсутствии информации о фенотипических признаках соответствующих живых объектов.
Способ выявления фантомных фил основан на скрининге как традиционных, так и «экзотических» ниш с помощью PCR-реакции. Как уже отмечалось, из водных, почвенных и других образцов извлекают микроколичества «природной» ДНК (англ. natural DNA). Затем ее участки амплифицируют и секвенируют полученные амплификоны. В результате поисков, которые целенаправленно ведутся в последние годы, число фантомных фил бактерий постоянно растет, и прогнозы, сколько их, в конце концов, окажется, преждевременны.
Современная мегаклассификация прокариотных организмов — бактерий и архей — основана на филогении. Во 2-м издании «Руководства Берги по систематике бактерий» (2001 г.) в составе домена Bacteria выделяют 23 филы BI-BXXIII (сокр. от Bacteria), каждой из которых соответствует таксономическая группа в ранге отдела. В свою очередь, в составе домена Archaea выделяют филы AI и АII (сокр. от Archaea).
Установлено, что рРНК бактерий только на 10% гомологична рРНК цитоплазматических рибосом ядерных организмов. В то же время она высоко гомологична рРНК митохондрий, рРНК хлоропластов зеленых водорослей (Chlorophyceae) и высших растений, а также рРНК пластид красных водорослей (Rhodophyceae). Это служит одним из основных доказательств эндосимбиотической природы этих органелл. Митохондрии относятся к филе BXII Proteobacteria (класс «Alphaproteobacteria»), а пластиды Chlorophyceae, высших растений и Rhodophyceae — к филе ВХ Cyanobacteria.
Таким образом, доказано, что эволюционная преемственность между прокариотами и ядерными клетками существует на самом деле. Однако это касается не всей ядерной клетки, а только ее частей — эндосимбиотических органелл.
Согласно результатам секвенирования 18S рРНК, эукариоты образуют монофилетический домен Еuсаrуа. В то же самое время гипотеза о монофилетичности прокариотов не подтвердилась: неядерные клетки, по меньшей мере, дифилетичны.
Итак, после открытия бактерий представления о сущности этих микроорганизмов изменялись следующим образом:
— при отсутствии информации о строении и физиологии бактерий они находились вне мегасистемы или же не имели в ней самостоятельного статуса; в результате чего их относили к сфере непознаваемого («Chaos» Карла Линнея) или к переходному миру от неживого к живым организмам («цитоды» Эрнста Геккеля), а также на разных основаниях объединяли с животными, растениями или грибами;
— в итоге изучения ультраструктуры бактерий в 1960-е годы их, в рамках концепции о глобальной дихотомии, определили, как прокариотов; поэтому признаку к бактериям относили и архей;
— в итоге реконструкции глобального древа в 1970-е годы было установлено, что прокариоты-бактерии образуют самостоятельный эволюционный ствол —домен Bacteria, а прокариоты-археи образуют другой эволюционный ствол — домен Archaea.
К настоящему времени полностью секвенированы геномы свыше 60 видов бактерий, и ряд проектов находится на стадии завершения. Анализ бактериальных геномов не только способствует изучению разнообразия домена Bacteria. Он позволяет понять глобальные закономерности эволюции клеточных структур, путей метаболизма, транспорта и регуляторных систем.
По современнным данным, прокариоты дифилетичны. Этот ключевой вывод отражает роль молекулярных критериев, в первую очередь, инфраструктуры генома, в классификации живых организмов на высшем разграничительном уровне. Но не исключено, что новые данные о биоразнообразии прокариотов заставят нас в будущем пересмотреть представления о глобальной филогении.