Археи – прокариотные микроорганизмы, у которых нет клеточного ядра. Археи живут в широком диапазоне сред обитания и являются важной частью глобальной экосистемы, могут составлять до 20 % общей биомассы.

Ранее археи объединяли с бактериями в общую группу, называемую прокариоты (или царство Дробянки (лат. Monera)), и они назывались архебактерии, однако сейчас такая классификация считается устаревшей

Установлено, что археи имеют свою независимую эволюционную историю и характеризуются многими биохимическими особенностями, отличающими их от других форм жизни.

Сейчас археи подразделяют на более чем 7 типов. Из них наиболее изучены кренархеоты (Crenarchaeota) и эвриархеоты (Euryarchaeota). Классифицировать археи по-прежнему сложно, так как подавляющее большинство из них никогда не выращивались в лабораторных условиях и идентифицировались только по анализу нуклеиновых кислот из проб, полученных из мест их обитания.

Археи и бактерии очень похожи по размеру и форме клеток, хотя некоторые археи имеют довольно необычную форму, например, клетки Haloquadratum walsbyi плоские и квадратные. Несмотря на внешнее сходство с бактериями, некоторые гены и метаболические пути архей сближают их с эукариотами (в частности ферменты, катализирующие процессы транскрипции и трансляции).

Другие аспекты биохимии архей уникальны, к примеру, присутствие в клеточных мембранах липидов, содержащих простую эфирную связь. Большая часть архей – хемоавтотрофы. Они используют значительно больше источников энергии, чем эукариоты: начиная от обыкновенных органических соединений, таких как сахара, и заканчивая аммиаком, ионами металлов и дажеводородом.

Солеустойчивые археи – галоархеи (Haloarchaea) – используют в качестве источника энергии солнечный свет, другие виды архей фиксируют углерод, однако, в отличие от растений и цианобактерий (синезелёных водорослей), ни один вид архей не делает и то, и другое одновременно.

Размножение у архей бесполое: бинарное деление, фрагментация и почкование. В отличие от бактерий и эукариот, ни один известный вид архей не формирует спор.

Изначально архей считали экстремофилами, живущими в суровых условиях – горячих источниках, солёных озёрах, однако потом их нашли в различных местах, включая почву, океаны, болота и толстую кишку человека. Архей особенно много в океанах, и, возможно, планктонные археи – самая многочисленная группа ныне живущих организмов.

Археи признаны важной составляющей жизни на Земле. Они играют роль в круговоротах углерода и азота. Ни один из известных представителей архей не является ни паразитом (за исключением наноархеот, являющихся паразитами других архей), ни патогенным организмом, однако они часто бывают мутуалистами и комменсалами.

Некоторые представители являются метаногенами и обитают в пищеварительном тракте человека и жвачных, где они помогают осуществлять пищеварение.

Метаногены используются в производстве биогазаи при очистке канализационных сточных вод, а ферменты экстремофильных микроорганизмов, сохраняющие активность при высоких температурах и в контакте с органическими растворителями, находят своё применение в биотехнологии.

Все живые существа подразделяются на три домена: эукариоты, бактерии и археи. Один домен – ядерные организмы. Это все, что мы видим невооруженным глазом. Другие два домена – это просто устроенные мельчайшие существа, которые разошлись на две эволюционные линии так же давно, как эукариоты отделились от прокариот.

Известно об этом разделении стало недавно, примерно 50 лет назад. Про сами археи ученые знали, но тогда они назывались бактериями, потому что внешне они неотличимы, и не существовало других способов для исследования их филогении, то есть происхождения.

Открытие этих эволюционных линий произошло в конце 1970-х годов, когда американский исследователь Карл Вёзе придумал, каким образом можно упорядочить систематику прокариот, сделав ее филогенетической. Не просто разложить их по полочкам, но и учесть их родство, потому что систематика высших организмов филогенетическая.

С крупными организмами мы можем нашим глазом судить, кто более или менее сложный. С такими мельчайшими микроорганизмами, как прокариоты, все иначе, потому что мы не знаем, какому признаку придать какой вес. Для нас какой-то фактор может быть важен, а для них нет.

Карл Вёзе придумал систему, которая не связана с внешними признаками – то, что в науке называется фенотипом, – а основана на генетических показателях. Вёзе начал сравнивать консервативные участки генома. Чем менее похож этот ген, тем больше в нем произошло спонтанных мутаций, следовательно, раньше разошлись два организма. Это был ген 16S рибосомальной РНК, который есть у всех, но при этом не меняется под влиянием внешней среды, – ген домашнего ххозяйств.

В итоге, когда Карл Вёзе начал сравнивать разные организмы, он обнаружил, что есть группа, которая далеко отстоит от бактерий. Сначала он назвал ее «архебактерии», потом их переделали в «археи», чтобы бактерии там даже рядом не стояли, потому что они отличаются. Археи так долго не выделяли в отдельную группу и считали бактериями, потому что они так же просто устроены.

Археи разные внутри своей группы, так же как бактерии бывают разные между собой. Несмотря на некоторые сходства, у них есть важные структурные и биохимические отличия, у них разные метаболические процессы, есть реакции, которые могут осуществлять только археи, – например, образование метана из углекислоты и водорода, но это свойство было у них давно.

Предполагается, что метаногены были первыми организмами, которые появились на Земле, потому что для жизни им нужны только водород и углекислый газ. У бактерий также имеется много свойств, которых нет у архей. Эти две эволюционные линии развивались по-разному, но где-то могли скрещиваться. Например, окисление аммония – свойство, которое есть и у бактерий, и у архей, но ферменты и механизмы у них участвуют разные.

Некоторые археи уже были известны до их разделения с бактериями. Например, метаногенные археи. Также были известны галофильные археи – микроорганизмы, которые растут при высокой концентрации соли. Раньше они назывались «галобактерии» – название сегодня сохранилось, но на самом деле это археи.

Внешне они такие же просто организованные палочки и кокки, со жгутиками и без них. Оказалось, что в базовых признаках у них большие различия с бактериями, потому что их аппарат синтеза белка такой же, как у эукариот. У них нет клеточной стенки, поэтому на них не действуют антибиотики. Этот факт помог микробиологам, потому что, добавляя антибиотик, мы можем получить чистую культуру архей.

Существуют и другие признаки, скажем разные липиды и мембраны. Все это базовые признаки, которые давно эволюционировали и уже не менялись. Есть и общие свойства у архей с бактериями. Они даже способны друг другу передавать гены, но различия в базовых механизмах укрепили теорию Вёзе, потому что изначально многие приняли ее критично, но со временем обнаруживались все новые и новые факты, которые ее поддерживали.

Распространение теории Вёзе привело к тому, что микробиологи принялись искать новых архей и находили их все больше и больше. Выделили первых гипертермофилов – микроорганизмы, которые растут при очень высоких температурах. Это повлекло за собой исследование их биополимеров: почему они такие стабильные, почему выдерживают условия, которые белки других живых организмов не выдерживают? Среди ацидофилов тоже есть археи. После исследования Вёзе и массивного удара микробиологов по этой группе археи оказались эксквизитными микроорганизмами, которые занимают местообитания с очень жесткими условиями: это или температура, или pH – анаэробные условия.

Система Вёзе имела еще одно следствие. Оказалось, что ген 16S рРНК можно извлекать из среды вместе с ДНК, затем выделять гены 16S рРНК, разделять их и анализировать или вместе секвенировать и смотреть. Одновременно с исследованиями этого гена оказалось, что мы знаем малую часть микроорганизмов в культурах, которые реально существуют в природе, поэтому большое количество архей остается для нас абсолютно неизвестными.

Такие археи живут в обычных условиях и активно участвуют в биогеохимических процессах, влияют на состояние нашей планеты. Сейчас главная цель ученых – понять, что это за микроорганизмы и как они ведут себя в природе.

Одна из таких групп, которые обитают в обычной среде, – это массовые археи в широко распространенных местообитаниях, в холодных океанических водах. Американский ученый Эд Делонг изучал состав морского снега, который плавает в толще морской воды. Оказалось, что снег состоит из сгустков микроорганизмов – архей. Сначала Делонг доказал, что это новая линия архей, а затем выделил этот микроорганизм в чистую культуру.

Исследования в чистой культуре показали, что эти археи участвуют в важном биогеохимическом процессе – окислении аммония. Аммоний образуется в результате разложения белков, а Thaumarchaeota его окисляют до нитрита, потом другие организмы окисляют нитрит до нитрата, и так происходит цикл аммония.

Важно также сказать о происхождения эукариот – ядерных организмов, к которым мы все относимся. Известно, что у них клетка устроена более сложно, чем у прокариот. Дело не только в ядре. Это также связано с наличием разных органелл. Например, митохондрии – бактериальные клетки, которые были ассимилированы архейной клеткой и стали ее обязательным компонентом, потому что у митохондрий есть свой геном, они размножаются отдельно от общего деления клетки.

Сначала археи нашли чисто биоинформатическим путем, без культивирования они были найдены в донных морских осадках. Затем установили, что в их геноме присутствуют многие гены, свойственные эукариотам, но не все ученые были согласны с этим. Они решили, что получился химерный геном, потому что несколько кусков было склеено из разных.

В 2019 году опубликовали статью японского ученого Кена Такаи, который получил культуру этих архей (лат. Lokiarchaeota). У них есть и другие названия. Такаи растил эту культуру десять лет. Он показал, как происходил симбиоз, потому что эта архея не может расти без бактерии: они связаны метаболически. Эта архея является предком эукариоты, она выращивает длинные щупальца и ими обнимает клетку бактерии. Такой парой они живут и растут. Так произошло симбиотическое слияние археи и бактерии, которое и дало нам эукариоты.

С одной стороны, это торжество классической микробиологии, потому что ученым удалось вырастить то, что было получено исключительно биоинформатическими методами. Этот микроб существовал виртуально, как фантом, и затем его удалось получить. В итоге мы знаем, что эукариоты произошли из архей. Это одно из важнейших научных событий 2019 года.

Много архей, о которых нет времени рассказать, были также обнаружены биоинформатическими способами, ученые исследовали их численность в разных местообитаниях, но в руках их никто не держал. Это будущая задача для микробиологов – попробовать их выделить. Возможно, сложность этого процесса в том, что они медленно растут.

Одноклеточные археи образуют отдельный и исключительно древний домен живых организмов, отличающийся как от эукариотов, так и от бактерий. Они часто выделяются экстремофильностью – способностью переносить самые суровые условия среды – и зачастую населяют такие «безжизненные» ниши. Некоторые археи теоретически могут выживать даже на метеоритах. Как у бактерий, у них нет внутриклеточных органелл, а геном находится прямо в цитоплазме. При этом их ДНК упакована за счет специализированных белков-гистонов, как у эукариотов – животных, растений, грибов.

Упаковка ДНК позволяет компактно разместить ее в клетке, но при этом обеспечить быстрый доступ к любому нужному участку. У архей нить ДНК наматывается на комплекс гистонов, образуя плоские нуклеосомы. Они, в свою очередь укладываются друг на друга гибкой структурой, которая напоминает игрушку-пружину «слинки». Схожим образом она и ведет себя: при необходимости доступа к тому или иному участку ДНК для чтения плоскости нуклеосом расходятся, высвобождая его, при этом не нарушая целостности всей структуры. Такой механизм в корне отличается от «распаковки» хромосом у эукариотов и прежде не был известен ученым.

Исследования РНК показали, что археи заметно отличаются от других микроорганизмов на молекулярном уровне. Отличия наблюдаются, в частности, в биохимии (только среди архей имеются организмы-метаногены, выделяющие в результате жизнедеятельности метан) и устойчивости к факторам внешней среды (большая часть архей – экстремофилы, то есть обитающие в экстремальных условиях).

В отличие от бактерий и эукариотов, у архей мембраны – оболочки, защищающие микроорганизмы от внешней среды, – исключительно прочные и практически не пропускают внутрь клеток воду и ионы. Кроме того, они остаются в состоянии жидкого кристалла, что необходимо для жизни клетки, при температурах от 0 до 100 градусов по Цельсию.

Мембраны архей отличаются от мембран представителей других доменов по составу и структуре. У бактерий и эукариот мембрану образует двойной слой липидов (класс веществ, в который входят жиры и подобные им вещества), в большинстве случаев – сложных фосфолипидов. У молекул, составляющих мембрану, есть гидрофильная часть, обращенная внутрь клетки («головка»), и гидрофобная часть, обращенная наружу («хвост»). У архей гидрофобная часть состоит из разветвленных изопреноидных цепей, которые соединяются между собой так, что образуют одинарный слой вместо двойного.

«Хвосты» у архей «ветвятся». Это происходит за счет того, что у них есть боковые метильные (—CH3) группы через каждые четыре основных углеродных атома. Ученые смоделировали «хвосты» с разным количеством метильных групп, из которых на компьютере собирали виртуальные фрагменты мембраны. Они обнаружили, что без этих «ответвлений» мембрана получалась слишком жесткой, а если метильных групп было восемь, модель становилась похожа на естественную мембрану.

«Полученный результат однозначно говорит, что уникальными свойствами архейные мембраны обязаны выбору химической формулы «гидрофобного хвоста»: ветвящаяся изопреновая структура позволяет мембране быть одновременно жидкой и очень плотно упакованной, прочной. «Прямые» жирнокислотные цепи в липидах бактерий и эукариот неизбежно приводят к фазовому переходу с одной стороны и к температурной потере стабильности – с другой. Возможно, именно этот «выбор липидов» определил эволюционную судьбу архей на Земле».

Эти свойства мембран архей могут быть использованы бионанотехнологами, например, для создания липосом (пузырьков из фосфолипидов) со свойствами, благодаря которым их можно будет использовать для целенаправленной доставки лекарств в организме.

Существует большой массив данных, опровергаемых, впрочем, также многими исследованиями, что именно археи – самые древние обитатели Земли. Важно подчеркнуть, что именно археи обладают рядом генетических и биохимических признаков, объединяющих их со всеми земными и безъядерными, и ядерными микроорганизмами (про- и эукариотами).

Именно среди современных архей встречаются жители самых экстремальных уголков нашей планеты. Это значит, что и в прошлом они могли выживать в условиях почти полного отсутствия атмосферного кислорода, далеко не нейтральных значений показателей кислотности водных бассейнов, колебаний температуры, сильного излучения, давления и тому подобных факторов риска той еще Земли. Только в донных отложениях Мирового океана общая масса архей составляет около 90 млрд. тонн, что значительно превышает биомассу всех живых организмов, населяющих океан.

В наблюдаемом биоорганическом мире нарушена зеркальная (хиральная) симметрия: в противоположность неживой природе в биосфере используются только левые молекулы аминокислот и только правые молекулы сахаров. Или, как еще говорят, левые и правые энантиомеры: абсолютно схожие по составу и отличающиеся только в одном – как левые и правые перчатки, как две руки человека. Именно в этом и состоит отличие живой природы – вернее, одно из отличий! – от мертвого неорганического мира.

Так вот, некоторые виды архей, как это стало известно, могут транспортировать в клетки «правые» аминокислоты и там превращать их в пригодные для построения белков «левые» изомеры. Последнее обстоятельство очень важно: предполагается, что первые аминокислоты получались еще в неживой природе путем химического синтеза, то есть скорее всего были смесью «левых» и «правых» изомеров.

Именно археи являются микроорганизмами, успешно восстанавливающими жизнеспособность после наиболее длительного покоя: ученым удалось их «высеять» из древнейших образцов пород. Именно археи способны длительное время сохранять жизнеспособность внутри кристаллов солей и переноситься с такими кристаллами на значительные расстояния – возможно, и межпланетные. В дополнение к перечисленным характеристикам следует подчеркнуть, что именно археи обладают совершенной системой восстановления генетических повреждений. По всем статьям – не подобрать лучшего Пионера на Земле.

Археи – одноклеточные безъядерные организмы. На молекулярном уровне они сильно отличаются и от бактерий, и от эукариотов – ядерных микроорганизмов.

Так чем же нам могут быть интересны представители архей как первопоселенцев на Земле? А тем, что они обладают совершенной энергетической фотобиосистемой и очень устойчивым геномом.

В принципе для «материального» обеспечения роста простейшего микроорганизма нужны только соединения, включающие несколько так называемых биоатомов – водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы. Те простые органические молекулы, которые могли образоваться на Земле в добиологическую пору, вполне годились на роль субстратов для накопления биомассы клеток Пионеров. Экспериментально подтверждено: эти атомы могут содержаться в более или менее сложных молекулах биополимеров, возникших чуть ли не в космическом пространстве «неорганическим путем».

А вот для обеспечения жизнедеятельности клетки Пионеров должны были иметь работающий механизм получения и запасания энергии. Сейчас известно до десятка биологических энергосистем микроорганизмов. Полагаю, что наиболее древний механизм реализован именно Пионерами – археями.

Низкое содержание кислорода в среде обитания Пионеров вынудило их выработать для обеспечения жизнедеятельности биологическую систему использования энергии солнечного света. В таких условиях в клетках активируется синтез фоточувствительного трансмембранного белка – бактериородопсина.

Молекулы бактериородопсина путем самосборки объединяются в двумерные кристаллы, называемые из-за их цвета «пурпурные мембраны». В составе пурпурных мембран бактериородопсин начинает функционировать как светозависимый протонный насос, который обеспечивает, за счет электрохимических реакций, перенос протонов на поверхности клеточной мембраны. Это, в свою очередь, служит для аккумулирования солнечной энергии путем синтеза молекул АТФ.

Эта энергосистема архей своей простотой принципиально отличается от более «молодого» фотосинтеза хлорофиллсодержащих организмов, однако выполняет в клетках галобактерий ту же функцию – снабжает клетки достаточным количеством молекул АТФ для обеспечения реакций биосинтеза, движения, деления.

Важно подчеркнуть, что функционирование именно этой системы позволило археям начать накапливать на поверхности Земли «энергосодержащие» органические вещества биогенного происхождения (часть этого вещества сохраняется даже в современной нефти). И именно эта органика послужила субстратом для развития в более поздние эпохи второй волны фототрофных микроорганизмов – фотосинтезирующих цианобактерий (от 3,1 млрд. лет). «Потомкам» бактериородопсина все животные Земли обязаны способностью видеть.

Специалисты по геномике и биоинформатике оценивают минимальный геном организма, способного жить в условиях Земли, примерно в 600 генов. По одной из наиболее признаваемых теорий эволюции генома, наибольшие изменения в наследственных признаках возможны только после удвоения у развивающегося вида объема геномной ДНК. Объяснение состоит в том, что только после удвоения исходного генома появляется возможность у одной из двух копий исходного гена изменить свою функцию на принципиально новую. Считается, что появление такой новой функции и позволяет прогрессировать организмам (видам).

А галобактерии могут больше! Они в состоянии пережить временное отсутствие ряда генов с последующим восстановлением всех исходных функций. Так клетки, пережившие сильный осмотический шок и утратившие ряд важнейших генетических признаков, тем не менее оказываются способными восстанавливать исходный фенотип, то есть полный геном. Для такого восстановления требуется не более 10–12 поколений клеток.

Интересно, что восстановление исходного генома наблюдается только у клеток, находящихся в плотном окружении – в толще или на поверхности бактериальных колоний. То есть для репарации необходимы межклеточные геномные взаимодействия.

В свое время профессор Виталий Суходолец под минимальным геномом понимал сумму генов, обеспечивающих нормальную жизнеспособность и биотехнологический потенциал бактерии в строго определенных условиях. Минимальный геном не должен был содержать лишних структурных генов, отвечающих за дублирующие активности, за способность выживать в нестандартных условиях и т.п.

Для Пионера, разумеется, требования к геному принципиально иные. Прежде всего этот компактный геном должен был обеспечить неубиваемость клеток (или именно генома) Пионера, их «энергетическую независимость» и плодовитость. Скорее всего именно такая высокая стабильность генома архей в сочетании с его «пластичностью-голографичностью» и могла быть тем признаком, по которому и отобрались Пионеры Земли.