Что такое домен в биологии
Домены
Линней разделил живых существ на два царства — растения и животные. Сегодня верхний уровень в классификации организмов — это домен, или надцарство. Большинство ученых согласны в том, что существует три домена, хотя некоторые склоняются к пяти.
Археи, бактерии и эукариоты
В 1990 г. Вёзе предложил подразделить все живые организмы на три домена, которые мы знаем сегодня, — археи, бактерии и эукариоты. Каждый домен отмечен характерной рибосомальной рибонуклеиновой кислотой (рРНК) внутри клеток. Все члены домена архей — крошечные одноклеточные организмы, в клетках которых отсутствует ядро. К археям относятся галофилы, выживающие в очень соленой воде, и гипертермофилы, переносящие высокие температуры. Клетки этих микроорганизмов адаптировались к суровым условиям. У бактерий ядро клетки тоже отсутствует, но структура их рРНК отличается от рРНК архей.
ЭКСТРЕМОФИЛЫ
В 1970-х гг. ученые стали находить организмы в средах, которые ранее считались враждебными. Большинство из них — это микроорганизмы, в частности бактерии, но встречаются также черви, насекомые и ракообразные. К числу экстремофилов относятся ацидофилы, процветающие в кислых средах, с pH = 3 или ниже (жидкостью с таким уровнем кислотности можно ожечь кожу). Гидротермофилы живут в воде с температурой выше 80 °C, рядом с гидротермальными выходами на дне океана. Другие встречаются глубоко под землей, под ледниками, в экстремально щелочных средах или у кипящих гейзеров.
Домен (биология)
В биологической систематике доме́н (или, иногда, надцарство, лат. Domain) — самый верхний уровень (ранг) группировки организмов в системе, включающий в себя одно или несколько царств.
Термин был предложен в 1990 г. Карлом Вёзе, который разделил все живые организмы на три домена [1] :
Наиболее радикальное отличие от предыдущих систем состояло в том, что бактерии (прокариоты) были разделены на два таксона (археи и эубактерии), каждый из которых имел тот же ранг, что и эукариоты.
Также отдельным доменом выделяют вирусы.
Альтернативные системы групп высшего ранга
Помимо получившей широкое признание системы Вёзе, существуют альтернативные системы групп высшего уровня (ранга), например:
См. также
Примечания
Полезное
Смотреть что такое «Домен (биология)» в других словарях:
Домен — (фр. domaine) область; единица структуры: В Викисловаре есть статья «домен» … Википедия
Научная классификация (биология) — Содержание 1 История систематики 1.1 Линней 2 Иерархия 3 Современные разр … Википедия
Надсемейство (биология) — Надсемейство (лат. superfamilia) один из производных рангов иерархической классификации в биологической систематике. В иерархии систематических категорий надсемейство стоит ниже отряда (порядка) и выше семейства. Примеры: семейства бабочек… … Википедия
Царство (биология) — У этого термина существуют и другие значения, см. Царство … Википедия
Подвид (биология) — Одна из разновидностей белокопытника холодного Petasites frigidus var. palmatus Инфравидовые ранги биологических таксонов ранги, которые в таксономической иерархии находятся ниже ранга вида. Содержание 1 Перечни р … Википедия
Класс (биология) — У этого термина существуют и другие значения, см. Класс. Содержание 1 Названия классов 2 Литература … Википедия
Вариетет (биология) — Одна из разновидностей белокопытника холодного Petasites frigidus var. palmatus Инфравидовые ранги биологических таксонов ранги, которые в таксономической иерархии находятся ниже ранга вида. Содержание 1 Перечни р … Википедия
Вид (биология) — Титульный лист работы Карла Линнея «Виды растений» (Species Plantarum). 1 мая 1753 г. дата опубликования книги принята за исходный пункт ботанической номенклатуры. Вид (лат. species) таксономическая, систематическая единица, группа особей с… … Википедия
Инфракласс (биология) — Содержание 1 Названия классов 2 Литература 3 Ссылки 4 См. также // … Википедия
Инфраотряд (биология) — Содержание 1 История понятия 1.1 Ботаника 1.2 Зоология 2 Названия … Википедия
Домен (Биология) | Биологический словарь
Определение домена
В биологии домен относится к крупнейшей из всех групп в классификации жизни. В настоящее время есть 3 согласованные группы на этом уровне, домен Археи, бактерии домен и домен Эукарья. Каждый домен содержит коллекцию организмов со схожими свойствами и историями эволюции, как их организовали ученые. Следует отметить, что хотя система трех доменов широко принята и преподается, она была оспорена рядом ученых. Предполагаемые отношения между тремя доменами обсуждаются ниже.
Домен на Древе Жизни
В наиболее широко принятой теме организации жизни домен является первым подразделением, как показано на рисунке ниже.
Три Домена
Archaea
Археи являются доменом бактерий, подобных организмам, но у них есть отчетливый биохимия что отличает их от бактерий. Хотя у них все еще есть бактериоподобная ДНК и нет органелл, у них также есть несколько различий, которые помещают их в совершенно другую область. Их клетка стенки и РНК, которую они продуцируют, значительно отличаются от той, которая обнаружена в домене Bacteria.
Организмы, найденные в домене архей, часто являются экстремофилами. Эти организмы процветают в условиях, которые другие организмы считают враждебными. Это может быть очень соленая среда, среда с высокой или низкой температурой или даже с химическими веществами, которые токсичны для других организмов. В то время как организмы в домене Архей часто считались отдаленно связанными с бактериями из-за их странных тенденций, другие ученые предположили, что они более тесно связаны с организмами в домене Эукарья.
бактерии
Организмы в домене Bacteria также являются прокариотами, не имеющими выделенных органелл или мембраносвязанных ядер. Домен Bacteria также, возможно, является самым большим доменом, содержащим, возможно, миллионы неизвестных и незарегистрированных образцов. Эти маленькие одноклеточные организмы живут почти повсюду и имеют размер большинства эукариотических органелл. Они содержат свою ДНК в маленьком кольце и выполняют все жизненные функции в своем едином цитоплазматическом пространстве. Как видно на сканирующей электронной микрофотографии ниже, эти бактерии могут быть довольно маленькими. Каждая бактерия на изображении ниже имеет длину около 1 микрометра.
Eukarya
Домен Eukarya представляет, ну, все остальное. Организмы в этом домене являются эукариотическими, то есть имеют мембраносвязанное ядро и органеллы. Разделяя различные жизненные задачи на эти мембранно-связанные камеры, эукариоты способны повышать свою эффективность и проводить различный набор химических реакций. Например, митохондрии передающие энергию органеллы, которые позволяют организмам в этой области подвергаться аэробного дыхания, Это позволяет им гораздо эффективнее обрабатывать глюкозу, необходимый для жизни сахар. Как таковые, организмы в области Eukarya расширились до большого количества форм.
Отношения между тремя доменными группами
Ученые постоянно обсуждают и реорганизуют древо жизни, основываясь на новых фактах. В последние десятилетия появилось несколько различных теорий о точных отношениях между каждой областью. Две хорошо принятые теории можно увидеть на рисунке ниже.
В 1990-х годах Карл Вёз и его коллеги описали систему трех доменов, которая видна на верхнем рисунке. Основываясь на генетической и физиологической информации, исследователи пришли к выводу, что, вероятно, существуют три основные группы жизни, причем археи более тесно связаны с эукарией, чем с бактериями. Это можно противопоставить гипотезе Eocyte, которая утверждает, что Eukarya фактически возникла как подразделение Archaea, размывая границы между группами. Эта гипотеза также подкреплена генетическими данными, поэтому неясно, какая гипотеза верна.
Не входит в систему трех доменов
Ни один из вышеуказанных подходов не включает вирусы или прионы в схему классификации жизни. Многие ученые не считают эти вещи живыми, поскольку вирусы захватывают механизм размножения клетки, а прионы – это неправильно свернутые белки, которые каким-то образом заставляют другие белки складываться неправильно. Обе эти молекулы на генетической основе имеют средства для размножения, поэтому многие ученые считают их «живыми» для целей классификации. Было предложено несколько альтернативных теорий, включающих эти группы в доменную систему, часто создавая новые домены для каждой группы.
3 домена в биологии (классификация Вуса)
Этот филогенетический порядок широко принят большинством биологов. Тем не менее, с развитием биоинформатики и статистических инструментов, некоторые авторы предложили новые отношения между живыми существами, что не поддается классификации Woese.
История классификации
Разделение на два царства: Animalia и Plantae
С развитием науки, развитием современных методологий и более глубоким анализом органических существ стало очевидно, что разделение на растения и животных не вписывается в их подлинную эволюционную историю. Фактически это было «простоватое» и непоследовательное упрощение отношений между ними.
Разделение на три королевства: Animalia, Plantae и Protista
Чтобы исправить эту ситуацию, известный биолог-эволюционист и орнитолог Эрнст Геккель добавил в список новое королевство: Королевство Протиста.
Эта классификация достигла более четкого разделения форм, которые, очевидно, не следует группировать. Тем не менее, классификация оставалась тревожно проблематичной.
Разделение на пять королевств
В 1969 году американский эколог Роберт Хардинг Уиттакер предложил схему деления на пять королевств: Animalia, Plantae, Fungi, Monera и Prostista..
Разделение организмов на пять царств было широко признано систематикой того времени, поскольку они считали, что классификация все более и более приспосабливается к реальным эволюционным взаимоотношениям живых существ..
Разделение на три домена
В 70-х годах профессор Университета Иллинойса Карл Воуз начал находить свидетельства некой неизвестной группы очень ярких одноклеточных организмов. Они жили в среде с экстремальными условиями температуры, солености и pH, где считалось, что жизнь не может быть поддержана.
На первый взгляд, эти организмы были классифицированы как бактерии и назывались архебактериями. Однако более глубокий и подробный обзор архебактерий показал, что различия с бактериями были настолько заметны, что их нельзя было отнести к одной и той же группе. На самом деле сходство было просто поверхностным.
Таким образом, молекулярные данные позволили этой группе исследователей создать систему классификации трех доменов: бактерий, архей и эукариот..
Предложить новые генеалогические связи между организмами, отмеченные событием, имеющим большое значение в современной биологии. Это важное открытие привело к тому, что Woese выиграл Национальную медаль науки в 2000 году..
Три сферы жизни
Древо жизни, предложенное Карлом Уосом, устанавливает возможные генеалогические отношения между органическими существами, предполагая существование трех областей жизни.
Этот маркер является компонентом 30S субъединицы прокариотической рибосомы. После работы Вёза он широко использовался для филогенетического вывода. В настоящее время очень полезно установить классификацию и идентификацию бактерий..
Далее мы опишем наиболее замечательные характеристики каждого из членов, которые составляют три области жизни:
Архея Домен
Таким образом, они были обнаружены в водах со значительно высокой концентрацией солей, в кислых средах и термальных водах. Кроме того, некоторые археи также обитают в регионах со «средними» условиями, такими как почва или пищеварительный тракт некоторых животных..
Размножение этих прокариот бесполое, и был продемонстрирован горизонтальный перенос генов..
Классификация архей
Вторая группа, галофилы, являются «любителями соли». Для его развития необходимо, чтобы концентрация соли в окружающей среде была примерно в 10 раз выше, чем в океане. Некоторые виды могут переносить концентрации до 30 раз выше. Эти микроорганизмы находятся в Мертвом море и в испаренных прудах..
Наконец, термоацидофилы способны противостоять экстремальным температурам: более 60 градусов (некоторые могут переносить более 100 градусов) и ниже точки замерзания воды.
Домен бактерий
Бактериальный домен состоит из широкой группы прокариотических микроорганизмов. В общем, мы обычно связываем их с болезнями. Ничто так далеко от реальности, как это недоразумение.
Хотя верно, что некоторые бактерии вызывают смертельные заболевания, многие из них полезны или живут в нашем организме, устанавливая комменсальные отношения, образуя часть нашей нормальной флоры.
Бактерии не имеют ядерной мембраны, им самим не хватает органелл, их клеточная мембрана состоит из липидов с сложноэфирными связями, а стенка состоит из пептидогликана..
Они размножаются бесполым, и случаи горизонтального переноса генов были подтверждены.
Классификация бактерий
Хотя классификация бактерий действительно сложна, здесь мы будем иметь дело с фундаментальными делениями домена, у цианобактерий и эубактерий..
Эубактерии, с другой стороны, являются настоящими бактериями. Они представлены в различных морфологиях (кокки, бациллы, вибрионы, спиральные и др.) И имеют структуры, модифицированные для их подвижности, такие как реснички и жгутики.
Домен Эукарья
По сравнению с другими доменами мембрана имеет различную структуру, а липиды демонстрируют сложноэфирные связи. Они представляют собой настоящие органеллы, отграниченные мембранами, структура генома схожа с археями и организована в линейные хромосомы.
Классификация эукариот
Растения состоят из фотосинтезирующих организмов с клеточной стенкой, образованной в основном из целлюлозы. Его наиболее заметной характеристикой является наличие фотосинтетического пигмента: хлорофилла.
Включает в себя папоротники, мхи, папоротники, голосеменные и покрытосеменные.
Животные составляют группу гетеротрофных плюрицеллюлярных органических существ, большинство из которых способны к перемещению и перемещению. Они делятся на две большие группы: беспозвоночные и беспозвоночные.
Животным удалось колонизировать практически все среды, включая океаны и воздушную среду, демонстрируя сложный набор адаптаций для каждого.
Гигантские вирусы: 4-й домен жизни?
Гигантские вирусы: 4-й домен жизни?
Автор
Редакторы
Через две недели после того, как из печати вышла статья Джонатана Эйзена (Johnathan Eisen) [1], эволюционного биолога из Университета Калифорнии (США), самому Джонатану пришло письмо: «Добро пожаловать в клуб Четырех доменов». Эйзен, главный автор статьи про новые странные формы жизни в океане, лишь фыркнул. А е-мейл этот был от Дидье Рауля (Didier Raoult) из Средиземноморского университета в Марселе (Франция), который уже несколько лет агитирует научное сообщество за то, чтобы считать огромных вирусов, которые он изучает [2], новой ветвью жизни — четвертым доменом.
Рауль считает, что эта ветвь отделилась от «ствола» древа жизни чрезвычайно рано в эволюционном смысле, — и это утверждение встретилось с суровым заградительным огнем критики сообщества, которое уверено, что анализ генетических последовательностей, на котором основывается Рауль, выполнен некорректно. Показательно, что этот спор подчеркивает всю сложность реконструкции путей, пройденных эволюцией, — ведь за несколько миллиардов лет истории жизни на планете организмы неустанно обменивались генетической информацией и перетасовывали ее, пока, наконец, не запутали все «концы» окончательно.
Существует четвертый домен на самом деле или нет, — но его поиски извлекли на свет интереснейшие вещи. Микроорганизмы, открытые Раулем, сильно смазали четкую до того границу между вирусами (считавшимися неживыми, потому что они не способны жить сами по себе) и клеточными формами жизни, на которых вирусы паразитируют. Этот дерзкий акт подлил масла в огонь старого спора — что же считать жизнью? Рауль уверен, что многие вирусы устроены достаточно сложно, чтобы «заслуживать» права считаться живыми. Работа Эйзена, в свою очередь, основана на «ловле» в водах открытого моря образцов ДНК, принадлежащих неизвестно даже кому. (Этот подход, когда генетический материал собирают прямо из окружающей среды, а не выделяют из каких-то конкретных организмов, получил название метагеномики.) «Мы называем это „темной материей“ биологической вселенной, — говорит Эйзен о бесчисленных фрагментах ДНК, «плавающих» в окружающей среде [3]. — Эта ДНК кроет в себе фантастическое разнообразие жизненных форм, только малую часть из которых, может статься, мы наблюдаем теперь».
Деление на клетки
До появления мощных технологий секвенирования ДНК [4], [5] биологи делили все живое на два домена (или надцарства), основываясь на хорошо наблюдаемом в микроскоп признаке: наличии клеточного ядра. У эукариот это ядро есть (откуда и пошло их название) — и объединяют они множество организмов, от амёбы до деревьев и человека. У прокариот же ядра внутри клетки нету. Однако в 1977 году Карл Вёзе (Carl Woese), микробиолог из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (США), перевернул эту казавшуюся логичной классификацию чуть ли не с ног на голову. Сравнивая консервативные последовательности РНК, он обнаружил, что прокариоты состоят из двух чрезвычайно различающихся групп микроорганизмов, — бактерий, которые весьма далеко отстоят от эукариот, и архебактерий, которые на эволюционном древе расположены намного ближе к последним [6]. В то время сей неожиданный результат встретил, конечно, яростный отпор научного сообщества, хотя в середине 1980-х, когда гипотеза нашла стабильное подтверждение в разнообразных молекулярных данных, это воззрение стало общепринятым. Учебники с тех пор переписали, и теперь все придерживаются концепции трех доменов: эукариоты, бактерии и архебактерии (сам термин «домен» был тоже предложен Вёзе, но уже позже: в 1990-м году). (Карл Вёзе известен множеством интересных работ о молекулярной эволюции и методологии молекулярной биологии [7].)
Возвращаясь к гипотетическому четвертому домену, следует указать истоки этой идеи — это открытие гигантского вируса Мимивируса, сделанное Раулем и его коллегами в 2003-м году [8]. (Вообще-то, мимивирус был открыт где-то за 10 лет до этого как паразит амеб в башенном охладителе ТЭЦ в Брэдфорде (Великобритания), но тогда он был ошибочно принят за бактерию из-за своего поистине гигантского для вируса размера (≈750 нм): его даже можно увидеть в оптический микроскоп!) Это открытие взбудоражило микробиологов. «Люди поняли, что они ничего не знают про разнообразие микроорганизмов», — говорит один из коллег Рауля, кто принимал участие в той работе. («Биомолекула» уже писала про гигантские вирусы: «. А на блохе — блошиночка поменьше» [2].)
Геном мимивируса, который расшифровала та же группа ученых [9], поразил своим размером: 1,2 млн. пар нуклеотидных оснований — это втрое больше, чем у любого другого известного вируса, а среди более 1000 генов вируса есть и участвующие в транскрипции генетической информации, чего никогда ранее не наблюдалось у вирусов, которые в этом полностью полагаются на клетку-«хозяина». Ученые тогда сравнили последовательности семи вирусных белков с аналогами из всех трех доменов и отметили, что гигантские вирусы «могут быть новой ветвью жизни», появившейся во времена становления эукариот и начавшей паразитировать на них. По мнению Рауля, учитывая сложность организации этих вирусов, они вполне заслуживают особого места на «древе жизни».
Конечно, не замедлили появиться возражения, даже оформленные в виде «десяти причин, почему вирусы следует исключить из древа жизни» [10]. Одно из главных возражений — это что для вирусов характерно «заимствование» генетической информации из геномов своих хозяев, так что наличие там транслирующих белок генов еще ни о чем не говорит.
Рауль же тем временем открыл других гигантских вирусов, в том числе в парижских градирнях. Анализ геномов этих существ показал их близкое взаиморасположение на древе жизни, из чего было сделано заключение, что некоторая группа генов должна была наследоваться совместно у организмов, которые он предлагает называть гигантскими нуклеоцитоплазматическими ДНК-вирусами (ГНЦДВ или NCLDV) [11].
Рисунок 1а. Установление родства. Филогенетические деревья используются для определения родственных отношений на основе сходства генетических или белковых последовательностей. В теории, чем больше сходство последовательностей, тем ближе родство организмов, однако используемые для вычисления «родства» алгоритмы могут иной раз давать разительно отличающиеся результаты.
Согласно результатам Дидье Рауля, гены РНК-полимеразы II, которые имеются у гигантских ДНК-вирусов (ГНЦДВ), группируются в отдельную «ветвь», намекая на существование четвертого домена жизни.
Рисунок 1б. Установление родства. Филогенетические деревья используются для определения родственных отношений на основе сходства генетических или белковых последовательностей. В теории, чем больше сходство последовательностей, тем ближе родство организмов, однако используемые для вычисления «родства» алгоритмы могут иной раз давать разительно отличающиеся результаты.
«Исправленное» дерево, учитывающее возможность конвергенции, разрушает построения Рауля. (Конвергенция в этом случае — обретения сходства генетических последовательностей независимо, а не в результате родства).
Однако установление эволюционного родства на основе генетических последовательностей — задача непростая, особенно если работать приходится с материалом, который, предположительно, независимо эволюционировал в течение миллиардов лет. Дело в том, что со временем гены мутируют и эволюционируют, а иногда и возвращаются к первоначальному варианту, «стирая» историю своих прошлых «мытарств». Неродственные виды могут иметь схожие последовательности какого-нибудь гена, возникшие независимо и параллельно (или, как говорят, конвергентно). И если придется столкнуться с таким явлением, то изначально «плотная» эволюционная группа (какой представляются ГНЦДВ Раулю) просто распадется на части.
В июне 2011 года Эва Хенц (Eva Heinz) из университета Ньюкасла (Великобритания) и ее коллеги опубликовали «переделанные» деревья Рауля, основанные на других предпосылках [12]. Эти предпосылки включали, в первую очередь, возможность конвергенции генов, а значит, не обязательное признание родства при схожести последовательностей. На этих деревьях ветвь гигантских ДНК-вирусов расщепилась на отдельные «прутики», торчащие из остальных ветвей, тем самым (вроде бы) опровергая результаты по их генетическому родству. Хенц объясняет это тем, что набор вирусных генов мог быть по кусочкам «уворован» у различных эукариот, в разное время оказавшихся «хозяевами» гигантских вирусов. И никакого четвертого домена.
Рауль же не убежден такой аргументацией, потому что ему кажется, что и эукариоты на «новых деревьях» недостаточно хорошо кластеризуются, — а значит, речь идет о еще одной ошибке в вычислениях. Специалисты пока сходятся на том, что, даже если предположить существование экзотических механизмов эволюции, данных для их проверки недостаточно, — особенно, если речь идет о гигантских вирусах.
Охота на гигантов
Одна из возможных версий происхождения гигантских вирусов — это предельная деградация одной из групп эукариот, заключивших себя в паразитический панцирь. Рауль продолжает выяснять, как могли появиться его гигантские вирусы, и предпочитает пока не вступать в полемику с «консерваторами», которые стоят за сохранение существующего порядка вещей. Его стратегия — накопить побольше информации об этих существах, чтобы, используя метод «молекулярных часов» [13], установить эпоху появления ГНЦДВ. Тогда-то пробьет час тех, кто против чрезмерно стройных теорий в биологии и предпочитает внести капельку хаоса туда, где уже все, казалось бы, понятно.
Кстати, Карл Вёзе тоже себя относит к этой группе людей. Однако, несмотря на свои иконоборческие идеи 1970-х и последовавшие за этим лавры классика молекулярной эволюции, к гипотезе четвертого домена он относится немного скептически.
Так что же с Эйзеном, с которого начался этот рассказ? Его статья, опубликованная в марте 2011 года [1], основана на результатах метагеномного поиска в океанических водах, несколько лет назад проведенного Институтом Крейга Вентера во время захватывающего кругосветного путешествия на яхте самого руководителя этого института. (Помимо прочего, Вентер известен и как «крестный отец» искусственной жизни [14].) Конечно, среди гигабаз «выловленной» из моря генетической информации идентифицировали множество уже известных фрагментов ДНК, но изрядная часть поставила исследователей в тупик, потому что ничего похожего до сих пор никто не видел. Именно на широту «улова» настроился Эйзен, проанализировавший все, что вытащил «невод», — с помощью тех же филогенетических деревьев. На деревьях обнаружились и совсем неизвестные ранее ветви, которые можно идентифицировать и как «четвертый домен» Рауля.
Предварительно эти данные исследовал и известный биоинформатик Евгений Кунин (Eugene Koonin) из Национального центра биотехнологической информации в Бетесде (Мэриленд, США). По его словам, в последовательностях метагенома не содержится ничего сверхъестественного: «Некоторые последовательности могут соответствовать новым ветвям архей и бактерий, однако невод тех, кто охотился за четвертым доменом, видимо, пришел лишь с травою морскою» [3].
Эйзен, который еще не видел результатов Кунина, пока не торопится вступать в «клуб Четырех доменов» Рауля. По собственным словам, он опубликовал результаты метагеномного анализа, чтобы сообщество было в курсе огромного генетического разнообразия, с которым можно столкнуться в метагеномике, — вместо того, чтобы списать все на артефакты, как это часто делается. Микробиологи понимают, что лишь робко зачерпывают ложкой из глубокого моря микробного разнообразия, которое существует в природе. Однако стоит ли, чтобы в очередной раз привлечь внимание общественности к этому факту и к важности изучения микроорганизмов, каждые десять лет открывать новые домены жизни?
По материалам новостей Nature [3].