3. ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМАТИКА

Филогенетическая систематика, разработанная К. Вёзе (С. Woese) на основании сравнения последовательностей нуклеотидов в рРНК малой субъединицы рибосомы, позволила выделить три группы организмов - "Bacteria", "Archaea", "Eucarya" - как три равноправных линии в графе отношений сходства в последовательностях рРНК и стала общепринятой догмой классификации, под которую подгоняются остальные характеристики. Для утверждения филогенетической систематики потребовалась, прежде всего, корреляция с другими признаками, например, со строением клеточной стенки, составом мембраны, далее признание митохондрий и хлоропластов эукариот потомками прокариотных эндосимбионтов в соответствии с гипотезой симбиогенеза Л. Маргулис (L. Margulis). Свободноживущего организма, соответствующего "Eucarya", но не имеющего симбиогенетических органелл, пока не обнаружено, хотя поиск его среди анаэробных протестов велся интенсивно. Поэтому предшественник(и) цитоплазмы и ядра эукариот представляет(ют) гипотетическую реконструкцию, восходящую к "прогеноту" - предку всех живых организмов, давшему три ветви живого мира, или, как их называли, три "домена".

Эту номенклатуру предполагается заменить на узаконенную и признать существование таксона высшей категории Imperhim (мн. число Impend), а не на "надцарства". Множество живых существ распределяется между тремя империями: Eukaryota (не Eucarya); Archaeobacteria (не Archaea); Eubacteria (не Bacteria). Соответствующие русские термины: эукариоты, архебактерии, эубактерии. Применение этой номенклатуры, помимо соответствия правилам Кодекса, имеет то преимущество, что прокариоты имеют общий определяющий термин "-bacteria", в отличие от эукариот, и таким образом закрепляется тривиальное понятие бактерий как организмов, противопоставленных композитным эукариотам. Из списка сходств и различий Eubacteria, Archaeobacteria, Eukaryota, представленных в табл. 3, видно, что они носят специфический характер, относящийся к деталям ("коррелирующим признакам"), а не к свойствам целого организма.

126

Таблица 3

Основные признаки архебактерий, эубактерий и эукариот

127

Если различие между прокариотами и эукариотами очевидно, как различие между простыми (элементарными) и сложными (комбинированными) организмами, то различие между архебак-териями и эубактериями далеко не столь ясно. Эубактерии и архебактерии имеют явное сходство в строении клетки, клеточном цикле, 60% сходства в последовательности рРНК; различий в метаболизме между ними не больше, чем между разными группами эубактерий (при большом сходстве в анаболизме). Сопоставление свойств ряда общих ферментов архебактерий и эубактерий, часто выполненные на отдельных представителях, без уверенности в приложимости вывода ко всему исследуемому множеству, показывает разные комбинации сходств и различий. Существенны различия в аппарате синтеза белка. Постулирование различного происхождения эубактерий и архебактерий вызывает серию вопросов о причинах сходства, на которые трудно ответить без большой серии допущений, лежащих вне филогенетического подхода. Ответ требует анализа полных последовательностей ДНК архебактерий и эубактерий и сопоставления не только генов синтеза белка, но и других. Материал для такого сопоставления быстро накапливается, и трудности заключаются в его анализе и выборе приоритетов.

Сопоставление всех организмов по одному гену малой рибосомальной РНК, 16S для прокариот и 18S для эукариот, дало возможность построить единую классификацию всего живого мира, а не переходить к разным наборам признаков, как это неизбежно при сравнении, например, насекомых и грибов. Анализ по 16S рДНК предоставил возможность создать единую классификационную систему, которую можно отразить в виде графа сходства последовательностей оснований в гене. Последовательность оснований устанавливается аналитически с большой точностью, и расхождений между лабораториями мало. Сопоставление последовательностей отчасти зависит от взятого для анализа набора организмов, и здесь могут получаться разные деревья.

Следующим вопросом было сопоставление этого классификационного дерева с эволюцией. Постулировалось, что мутации, ведущие к замене нуклеотидов, происходят случайно и число замен находится в прямой зависимости от времени; наибольшее

128

число замен должно накопиться у самых древних организмов. Приняв это допущение, можно реконструировать на основе классификационного дерева рРНК-гена филогенетическое дерево организмов. Результат такой реконструкции в общем совпал с картиной эволюции, установленной на основе палеонтологии и сравнительного подхода: многоклеточные растения, животные, грибы заняли вершину дерева. Упорядочение множества прокариот было субъективным, и те совпадения в группировании, которые обнаружились, например, у грамотрицательных и грамположительных бактерий, послужили основанием для принятия новой систематики как естественной. Следующим вопросом является соотношение филогении и эволюции. Оба понятия подразумевают последовательность во времени, но филогения относится к генеалогии организма или группы организмов, а эволюция может подразумевать и более широкие понятия, например эволюцию осадочного процесса, который сохраняет свою историю в виде последовательных слоев. Твердо установленные палеонтологические данные имеют силу факта, а филогения - реконструкции. Все эти соображения становятся особенно важны, когда рассматриваются наиболее простые организмы - прокариоты. Молчаливо допускается, что древние организмы сохраняются без существенных изменений.

Различия во внутренней сфере организма могут иметь слабое выражение в его направленных к среде обитания функциональных или фенотипических характеристиках. Для экосистемы неважно, какие внутренние изменения происходят в клетках и аппарате синтеза белка, коль скоро он функционирует, но очень важны химические функции организма. При анализе противопоставляются два подхода: филогенетических последовательных рядов и комбинаторный для сопоставления фенотипических функций.

Установление последовательностей оснований в рРНК привело к возможности немыслимой ранее идентификации прокариотных организмов и положения их на филогенетическом дереве без определения фенотипических свойств. Иерархическая система устанавливается благодаря соглашению относительно условных критериев рангов таксонов по числу замен оснований.

129

Рис. 29. Основные ветви филогенетического дерева эубактерий

Эубактерии распределились по следующим главным ветвям 16S рДНК филогенетического дерева, представленном на рис. 29 как дихотомический ключ.

Труднее всего сопоставить филогенетическую и фенотипическую систематики. В одни и те же филогенетические ветви попадают крайне разнообразные по физиологии организмы, например, анаэробные фотоавтотрофы пурпурные бактерии и энтеробактерии, цитофаги и бактероиды. При переходе от крупных ветвей грамположительных и грамотрицательных бактерий к низшим иерархическим уровням таких несовпадений становится все больше. Из приведенных на схеме групп бактерий подавляющее большинство таксонов входит в группировки цианобактерии, протеобактерии, грамположительных организмов. Эти три ветви хорошо различимы. Самостоятельное положение ветвей спирохет, зеленых фототрофов также согласуется с традиционным представлением о единстве и своеобразии этих групп. Зеленые

130

бактерии обычно функционируют в сходной эконише с пурпурными серными, но сильно различаются по строению фотосинтетического аппарата. Однако объединение цитофаг, традиционно считавшихся близкими к аэробным миксобактериям, и облигатно анаэробных бактериоидов не имеет функционального обоснования.

Наибольшую трудность в корреляции филогенетической и функциональной систематики представляет наиболее многочисленный и разнообразный комплекс цианобактерий, протеобакте-рий, грамположительных организмов. Было сделано предположение Г.А. Заварзиным, Э. Штакебрандтом (Е. Stakebrandt) и Р. Мюрреем (R. Murray), что этот комплекс отражает свое происхождение из циано-бактериального сообщества как стволовой эволюционной группировки микроорганизмов. Для грамотрицательных организмов вместо обозначения "пурпурные бактерии и их родственники" был предложен класс Proteobacteria. Протеобактерии, ветви которых оцениваются в ранге подклассов, пока обозначаемых греческими буквами, попытались разделить на экологические группировки. Альфа-подкласс включает группу пурпурных несерных бактерий, почкующиеся и простекобактерии, ризобии и агробактерии; среди органотрофов этого подкласса относительно много олиготрофов и организмов, связанных с высшими растениями. В бета-подкласс входят "газотрофы", например, метанотрофы и нитрификаторы, составляющие естественную группу по особенностям строения клетки с мощным мембранным аппаратом и обменом, основанным на окислении газов анаэробного происхождения. Гамма-подкласс включает группы органотрофных копиотрофов: факультативных анаэробов-бродилыциков (энтеробактерий и вибрионов), типичных аэробных окислителей (псевдомонад), а также бесцветные серобактерии, серные пурпурные бактерии. Дельта-подкласс объединяет функционально крайне различные группы сульфатредуцирующих бактерий, бделловибрионов, миксобактерий, занимающих противоположные позиции в трофической системе. Корреляция филогенетических групп протеобактерий с экологическим положением в системе носит характер лишь общей тенденции с многочисленными отклонениями.

131

Дальнейшее применение систематизации по рибосомальнрму гену привело к появлению ряда коротких ветвей в ранге подклассов протеобактерий и использованию следующих букв греческого алфавита. Последующее дробление свойственно всем способам классификации и ведет к превращению идентификационных деревьев в "кусты". Примером может служить иммунодиагностика энтеробактерий, которая привела в свое время к избыточному числу субродовых таксонов сальмонелл. Это общая судьба классификационных схем, которую они претерпевают при дальнейшей детализации.

Классификация прокариот по гену малой рибосомальной РНК основана на идентификации родов прокариот с помощью сложных технически молекулярно-биологических методов и последующей компьютерной обработки результатов определения последовательностей нуклеотидов. Быстрая идентификация проводится с помощью генных проб. Неудобством классификации по 16S рРНК оказывается появление случаев, когда фенотипически сходные организмы оказываются принадлежащими разным ветвям, и возникает дробление родов по единственному критерию с возрастающей неустойчивостью систематики на родовом уровне. Из положения организма на филогенетическом дереве можно сделать лишь ограниченные заключения о его функции. В качестве общего представления можно полагать, что прокариоты имеют некие сердцевинные компоненты, такие как репликация генома и синтез белка, и периферические, определяющие их функции, т.е. значимые для занятия функциональной (экологической) ниши и выживания в течение эволюции.

С точки зрения природоведческой микробиологии важно рассмотреть прежде всего 1) группу главных первичных продуцентов (цианобактерии); 2) протеобактерий, разделив их на группы органотрофов, фототрофов, хемосинтетиков; и 3) грамположительные организмы, разделив их на группы одноклеточных бактерий и мицелиальных актиномицетов.

Распределение важнейших родов Proteobacteria по подклассам и типам питания представлено в табл. 4.

Грамположительные организмы, таксономия которых находится в стадии формирования, разделились на ветви с "низким

132

Таблица 4

Распределение Proteobacteria по типам питания

133

Г + Ц" и "высоким Г + Ц". В результате виды старого рода Clo-stridium, под которым понимали строго анаэробные спорообразу-ющие палочки, распределились по множеству новых родов, обозначаемых как "клостридиальная ветвь с высоким Г + Ц" или "клостридиальная ветвь с низким Г + Ц". К последней ветви примыкают грамотрицательные (!) анаэробы порядка Haloanaero-biales, часть из которых - спорообразующие (олигоспоровые). Такая же таксономическая судьба постигла множество других родов грамположительных облигатных анаэробов (большая часть которых получила новые названия, и их переклассификация создает ложное впечатление увеличения знаний), и поэтому существующая их систематика носит временный характер. Более устойчива система аэробных грамположительных организмов, близких к актиномицетам.

Коротко следует перечислить малые ветви филогенетической системы. Ближе всего к корню дерева собственно бактерий располагаются экстремально термофильные водородные бактерии родов Hydrogenobacter (Calderobacterium), Aquifex - хемолито-автотрофы с необычным путем ассимиляции углекислоты, растущие при температуре выше 70 °С за счет окисления Н₂ и очень богатые цитохромом.

Следующую группу составляют экстремально термофильные органотрофные Thermotoga, грамотрицательные организмы, имеющие на концах клеток характерные вздутия наружной мембраны, создающие пузыри перипласта. Термотоги относительно легко выделяются из разных мест обитания, как морских, так и пресноводных, а также из подземной гидросферы.

Нитчатые фотогетеротрофные зеленые хлорофлексусы обычно обнаруживаются в термальных источниках при более высокой температуре, чем термофильные цианобактерии.

Дейнококки в общем напоминают аэробные органотрофные микрококки, но отличаются необычайной радиоустойчивостью.

Цитофаги и бактероиды составляют многочисленные и важные группы и обсуждаются no-отдельности, не имея общих фе-нотипических свойств. Цитофаги служат важнейшими аэробными деструкторами целлюлозы и, благодаря их способности к скольжению, долго рассматривались как не имеющие плодовых тел

134

миксобактерии. Бактероиды - пептолитические анаэробы, составляющие основную часть бактериального населения кишечника.

О. Кандлер, К. Вёзе, и К. Штеттер (О. Kandler, С. Woese, К, Stet-ter) нашли, что наиболее уклоняющиеся по последовательностям рРНК ("древние^-) группы принадлежат экстремальным термофилам и на этом основании предположили происхождение прокариот из гидротермальных мест обитания.

С позиций природоведческой микробиологии эубактерии и ар-хебактерии рассматриваются вместе как функциональные группы прокариот. Среди архебактерий пока выделены крупные таксоны "Euryarchaeota" (по признаку повсеместного присутствия, Еиrу-) и "Crenarchaeota" (термофильные, развивающиеся в потоке, Сrеп-, в газогидротермах, организмы), но эти названия не узаконены. Специализация архебактерий позволяет рассматривать отдельно их функциональные группы - метаногенов, галофилов, экстремальных термофилов. Роды экстремальных термофилов, вследствие своего уникального положения на 16S рДНК дереве, получают высокие таксономические ранги.

Заканчивая обзор филогенетических ветвей прокариот, следует заметить, что он дает очень мало опорных пунктов для логической систематизации сведений, а тем более руководящих принципов в построении большой системы. Филогенетическая система, основанная на одном рибосомальном гене, не более чем одна из технически удобных и разработанных систем упорядочения множества организмов с целью их идентификации.

135