5. АРХЕБАКТЕРИИ

Морфологически архебактерии, кратко обозначаемые как археи, не имеют резких отличий от эубактерий. При большом навыке можно отличить их клетки по некоторой угловатости, но эти отличия не выходят, например, за пределы отличий азотобактера от псевдомонад. Цитологические отличия их клеток с типично прокариотным строением так же не существенны. Физиологически многие архебактерии относятся к организмам, развивающимся в экстремальных условиях, - экстремофилам. Архебактерии осуществляют такие уникальные процессы, как метаногенез; особый тип фотосинтеза с участием бактериородопсина; использование серных соединений. Основное отличие архей от эубактерий - в аппарате синтеза белка.

Архебактерии отличаются от эубактерий по ряду хемотаксономических признаков. Их мембраны содержат не эфиры глицерина и жирных кислот, а этерифицированы изопреноидами. У эубактерий и эукариот изопреноиды содержатся в боковых

165

цепях хинонов, хлорофиллах, образуются при синтезе холестерина и каучука, но не входят в мембраны. В клеточной стенке архебак-терий цепи полисахаридов и глюкозамина соединены пептидами с иным набором аминокислот, чем у бактерий с муреином, и поэтому получили название псевдомуреина. Ингибиторы синтеза муреиновой клеточной стенки (антибиотики пенициллин, цикло-серин, ванкомицин, цефалоспорин) не действуют на архебактерий. У многих архебактерий клеточная стенка сложена белковыми глобулами, образующими так называемый S-слой, хорошо различимый на электронных фотографиях как упорядоченная поверхность, напоминающая вышивку бисером. S-слой чувствителен к детергентам. Такой же слой свойственен ряду бактерий как дополнительное образование на поверхности, а у планктомицетов S-слой служит основной структурой стенки.

РНК-полимераза архебактерий, как и у эукариот, содержит 9-12 субъединиц, а не 4, как у эубактерий. Поэтому археи нечувствительны к рифампицину, ингибирующему в низких концентрациях бактериальную РНК-полимеразу. Синтез белка не подавляется у архей хлорамфениколом, циклогексимидом, стрептомицином. Тетрациклин действует на архебактерий гораздо слабее, чем на эубактерии.

Архебактерий входят в три фенотипические группы: 1) мета-нобразующих организмов, 2) экстремальных галофилов, 3) экстремальных термофилов. В 9-м издании "Определителя бактерий Берджи" архебактерий составляют группы 31-35.

Метаногены (группа 31) осуществляют уникальную в живом мире реакцию синтеза метана и играют важнейшую роль в биосферных механизмах. Это высокоспециализированные анаэробные организмы, для которых реакция метаногенеза служит единственным источником энергии. Окислителем в реакциях метаногенеза является СО₂. Соответственно донорам электрона, метаногены разделяются на три группы: 1) водородные (гидрогенотрофные); 2) ацетокластические; 3) метилотрофные, окисляющие метилированные соединения с группой О, N, S. Политрофная метаносар-цина, способна использовать все три пути. Соответствующие реакции приведены ниже с указанием дополнительных соединений, используемых некоторыми представителями каждой группы:

166

Кроме того, некоторые метаногены способны использовать в качестве доноров водорода высшие спирты, но пока неизвестно, играет ли эта реакция существенную роль.

Метаногены относятся к строгим анаэробам и быстро погибают при контакте с воздухом. Они послужили моделью для отработки методики работы с облигатными анаэробами в атмосфере инертного газа, с предварительно восстановленной средой, получившей название методики Хангейта.

Морфологически метаногены очень разнообразны: среди них есть палочки Methanobacterium с клеточной стенкой из псевдому-реина, кокки Methanococcus с белковой клеточной стенкой, плоские угловатые формы Methanohalobium, псевдопаренхиматозные агрегаты Methanosarcina с гетерополисахаридом, цепи палочек в трубчатых чехлах Methanothrix (Methanosaeta) и спириллы Methanospirillum с белковой клеточной стенкой. В таксономии метаногенов употребляется обозначение Methano-, в отличие от аэробных метанокисляющих метанотрофов Methylo-; словосочетание "метановые бактерии", хотя и должно относиться только к метанобразующим, может быть неправильно понято.

Обычным местообитанием метаногенов являются донные отложения водоемов, пищеварительный тракт растительноядных животных, в особенности рубец жвачных, гидротермы с Н₂. За исключением последнего случая, метаногены зависят от анаэробного микробного сообщества, продуцирующего те немногие субстраты,

167

которые они могут использовать, в особенности ацетат. Особый случай составляет симбиоз метаногенов, в том числе внутриклеточный, с анаэробными протестами, для которых они составляют терминальный сток Н₂. В анаэробном микробном сообществе они замыкают трофическую цепь, потребляя ацетат и Н₂. Метаногены чрезвычайно важны для биогеохимии, потому что служат главным источником метана на Земле.

Широкое применение анализа по 16S рРНК привело к очень дробной систематике метаногенов на уровне крупных таксонов с созданием порядков: гидрогенотрофных Methanobacteriales, Me-thanococcales, морских Methanomicrobiales, ацетокластических и метилотрофных Methanosarcinales.

Механизм образования метана оказался совершено своеобразным, он представляет ступенчатое восстановление СО₂ с участием специфических ферментов, переносчиков С₁ - группы, переносчиков электрона. Основным переносчиком служит производное флавина - фактор F₄₂₀, получивший свое название по максимуму поглощения. В окисленном состоянии он обладает сильной зеленой флуоресценцией и по этому признаку метанобразующие бактерии, кроме ацетоклартических, легко опознаются в люминесцентном микроскопе. Однако некоторые другие организмы, богатые флавинами, дают аналогичное свечение, поэтому автофлуоресценцию следует считать указанием на весьма вероятное присутствие метаногенов, но не доказательством.

Открытие пути метаногенеза стало одним из последних достижений биохимии путей метаболизма микробов. Энергетический обмен у метаногенов, приводящий к образованию АТФ, обусловлен хемиосмотическим механизмом с участием протонной (иногда натриевой) помпы и, таким образом, относится к дыхательным процессам.

Метаногены не нуждаются в экзогенном органическом веществе и относятся к автотрофам. Образование биомассы идет в общем по обычным для анаэробов путям через синтез ацетата с участием СО-дегидрогеназы, аналогично процессам у гомоацетатных бактерий. Центральный метаболизм не имеет существенных отличий. В восстановительной зоне, где развиваются мета-ногены, для азотфиксации нет таких препятствий, как в аэробной зоне, и она распространена у метаногенов.

168

Метаногены развиваются при очень низком Eh, в термодинамическом поле устойчивости метана. Поле рН для них совпадает с областью бикарбонат-иона, и соответственно они являются нейтрофилами. Исключение составляет метилотрофный алкалофил Methanosalsus, развивающийся в содовых водоемах. Ацидофильные метаногены пока не идентифицированы.

По отношению к температуре большинство метаногенов является мезофилами с нижней границей около 15 °С. Поиски психрофилов или психроактивных форм затруднены из-за крайне медленного роста, но такие организмы существуют. Так, психрофильный метаноген Methanococcoides burtonii имеет минимальную температуру роста -2,5 °С при максимальной - +28 °С. Среди метаногенов много термофилов, в том числе и экстремальных, развивающихся в гидротермах при температуре до 98 °С, как Methanopyrus, 85 °С, как Methanothermus, Methanocaldo-coccus, 70 °С, как Methanobacterium thermoautotrophicum, послужившая важнейшей моделью для исследования метаногенов.

По отношению к минерализации среды метаногены делятся на группы пресноводных, к которым относится большинство ме-танобактерий и метаносарцин; морских метаномикробов, гало-фильных метилотрофов, в том числе экстремальных, как Metha-nohalobiwn.

Экстремальные галофилы (группа 33) представлены небольшой группой архебактерий (галобактерий), развивающихся в рассолах при содержании NaCl не менее 10% (или 1,8М) и вплоть до насыщения, когда они доминируют. При понижении концентрации солей они лизируются. К ним относятся палочковидные Halobacterium, кокковидные Halococcus, плеоморфные, иногда в виде "кусочков битого стекла", Haloarcula, Haloferax. Группа натронобактерий Natronobacterium и Natronococcus развивается при рН 10 и насыщении раствора содой. Галобактерий развиваются в лагунах или соляных чеках, где испарение приводит к концентрации солей и сопутствующему этому накоплению органических веществ, позволяющему отнести эти организмы к копиотрофам. Галобактерий окрашены в вишневый цвет кароти-ноидами и придают рассолу яркую окраску, по которой они были впервые обнаружены на соленой рыбе.

169

Галобактерии вынуждены поддерживать высокое осмотическое давление в клетке и осуществляют это посредством создания в клетке высокой концентрации КС1, вплоть до 5 М, в то время как Na выкачивается из клетки. Все ферменты организма должны работать при такой концентрации солей.

Галобактерии являются аэробными органотрофами, использующими широкий круг органических веществ: аминокислоты, углеводы, органические кислоты. Они обладают несколько измененными биохимическими путями использования Сахаров и полным циклом трикарбоновых кислот. Некоторые способны развиваться анаэробно, сбраживая аргинин, как Halobacterium salinarium. Halobacterium не составляет большинства среди обитателей гиперсоленых водоемов, но виды этого рода могут быть селективно выделены в анаэробных условиях на среде с аргинином.

Особое внимание привлек своеобразный тип фотосинтеза, осуществляемый галобактериями с участием бактериородопсина, комплекса белка с пигментом ретиналем, сходным со светочувствительным пигментом глаза. Под воздействием света бактериородопсин претерпевает изменения, позволяющие ему функционировать как протонная помпа, что приводит к энергизации мембраны и образованию АТФ. Этот тип фотосинтеза связан с высокими интенсивностями света, которые и наблюдаются в испарительных прудах и лагунах. Фотосинтез у галобактерий выполняет роль дополнительного источника энергии при органогетеротрофном типе обмена.

Развиваясь в очень своеобразных условиях лагун и образования отложений эвапоритов, галобактерий представляют типичный пример экстремофилов - организмов, растущих в условиях, не пригодных для большинства других живых существ.

Экстремальные термофилы (группа 35), Crenarchaeota, представляют собой обитателей гидротерм и наиболее тесно связаны с эндогенными процессами в геосфере. Первоначально эти организмы были исследованы Т. Броком (Т. Brock) в термальном источнике Октопус Спринт в Йеллоустонском парке в США. В России нами была изучена кальдера Узон на Камчатке, где развиваются термофильные цианобактериальные маты. Затем В. Циллиг (W. Zillig) и К. Штеттер (К. Stetter) исследовали, казалось бы безжизненные,

170

кипящие грязевые котлы в Исландии и обнаружили в них массу кокковидных бактерий. Это послужило стартовой точкой для интенсивных исследований К. Штеттера, описавшего множество гипертермофилов, развивающихся при температуре в диапазоне 80-110 °С и относящихся к организмам с наиболее глубокой точкой ветвления по 16S рРНК филогении. Особое значение гипертермофилы приобрели с изучением подземной биосферы, открытой при бурении глубоких скважин для добычи нефти и газа, как организмы, развивающиеся в подземных водах на большой глубине, вплоть до 3 км, где геотермический градиент приводит к высоким температурам, вплоть до 100 °С. Организмы, развивающиеся при температуре выше 90 °С, Штеттер предложил называть гипертермофилами и обозначать термином Руro-.

Экстремально термофильные археи составляют самостоятельную ветвь на филогенетическом дереве архей и получили название Crenarchaeota, в связи с тем что растут в потоке гидротермальной воды и газа. Действительно, для многих из них важно удаление продуктов обмена.

Большинство гипертермофилов (но не все, например, упомянутые выше метаногены) связаны с обменом серы и относится к сульфидогенам. Многие способны использовать Н₂ и растут литотрофно, другие относятся к органотрофам, использующим небольшие полимеры, как пептон или крахмал.

Среди кренархеот следует выделить группу аэробных ацидофильных организмов, развивающихся на богатых серой вулканических площадках, получивших название сольфатар. Эти ацидофильные термофилы были открыты Т. Броком и названы Sulfolobus. Впоследствии к этой группе присоединили еще несколько родов. Сульфолобусы имеют форму неправильных кокков и растут при рН 1-5, предпочтительно при рН 2-3, и температуре от 60 до 90 °С. Обмен сульфолобусов очень разнообразен. Они могут расти органотрофно, окисляя органические вещества в СО₂; литоавтотрофно, окисляя серу в серную кислоту, подобно гиобациллам или окисляя сульфиды железа в окисное железо и серную кислоту. Сходный с Sulfolobus другой род ацидофильных термофильных архебактерий, Acidianus, может расти и анаэробно, обладая способностью к сероредукции и восстанавливая S₀ в H₂S.

171

Анаэробный нейтрофильный органотрофный Desulfurococcus принадлежит к сероредуцирующим органотрофам. Такими же свойствами обладают Thermococcus, палочка Thermoproteus, длинная нить Thermq/ilum, гипертермофил Pyrococcus furiosm. Органотрофные экстремальные термофилы используют преимущественно разнообразные протеины и по типовому роду Thermoproteus образуют порядок Thermoproteales. Все эти организмы, различающиеся по оптимальной температуре роста, восстанавливают серу и используют ее как сток для водорода при анаэробном полном окислении органических веществ. Staphylotermus, в виде цепочки кокков растущий на поверхности "черных курильщиков", сбраживает органические вещества до ацетата и изовале-рата.

Термофильная сульфатвосстанавливающая архебактерия Archaeoglobus (группа 32) с оптимумом температуры около 80 °С восстанавливает сульфаты в H₂S, подобно термофильной бактерии Thermodesulfobacterium, используя Н₂, лактат, пируват, глюкозу, смеси органических веществ. Archaeoglobus содержит компоненты, до сих пор обнаруженные только у метаногенов.

Pyrodictium имеет температурный оптимум при 105 °С и выделен из морских гидротерм. Он представлен округлыми дисковидными клетками, соединенными длинными нитями, которые состоят из белковых трубок, прикрепляющих организм к твердому субстрату. Это строгий гидрогенотрофный анаэроб, восстанавливающий серу и растущий литотрофно, но стимулируемый органическими веществами. Морфологически его напоминает органотрофный Thermodiscus.

Своеобразный организм представляет выделенная Броком из куч саморазогревающегося угля Thermoplasma (группа 34) - лишенная клеточной стенки архебактерия, подобная микоплазмам. Ferriplasma, аналогичная по обмену Leptospirillum fer-rooxidans, недавно открыта Г.И. Каравайко.

Если для гидрогенотрофных гипертермофильных организмов источником энергии может служить эндогенный водород земных недр, то откуда они могут получать сложные органические вещества? Возможным ответом на этот вопрос служит гипотеза "бойлера", предложенная Г. А. Заварзиным, по которой кренархеоты

172

получают органические вещества с конвекционным потоком воды, проходящим через их местообитание, от организмов, которые свариваются при этом (отнюдь не напоминая "первичный бульон").

Молекулярные методы идентификации обнаружили характерные для Crenarchaeota клоны рДНК и показали, что организмы, филогенетически относящиеся к архебактериям, многочисленны в морском планктоне, где они составляют очень значительную часть популяции, в почвах суши, морских и пресноводных осадках, а также в числе симбионтов Metazoa. Все эти организмы пока относятся к некультивируемым.

173