Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất

Cổ khuẩn được biết đến như những vi sinh vật thích nghi với các môi trường có điều kiện cực đoan (extreme) như nhiệt độ cao (thermophilic), nơi lạnh giá (psychrophilic), nồng độ muối cao (halophilic) hay độ acid cao (acidophilic) v.v. Đó cũng là một lý do giải thích tại sao cổ khuẩn lại khó được phân lập và nuôi cấy trong điều kiện phòng thí nghiệm. Trong giới sinh vật, cổ khuẩn có các đại diện cư trú ở các điều kiện nhiệt độ cao hơn cả (Bảng 3, Hình 3), nhiều loài có thể sống ở nhiệt độ trên 100 °C dưới áp suất cao như ở các miệng núi lửa dưới đáy đại dương. Cơ chế thích nghi của tế bào vi sinh vật với nhiệt độ cao như vậy còn đang được nghiên cứu. Ở cổ khuẩn, một số phương thức thích nghi với nhiệt độ cao được biết đến như tác dụng của enzyme gyraza trong việc bảo vệ cấu trúc xoắn của ADN dưới tác động của nhiệt, hay ete-lipid, nhất là C₄₀-lipid trong màng tế bào của cổ khuẩn, giúp làm tăng đô bền vững của màng. Tuy nhiên cổ khuẩn không chỉ sống ở các môi trường cực đoan. Ngoài đại dương cổ khuẩn tồn tại với một số lượng lớn. Trên đất liền các loài cổ khuẩn sinh methane ưa ấm có mặt ở nhiều môi trường khác nhau, như các bể lên men chất thải hữu cơ, các chân ruộng lúa ngập nước, đường tiêu hoá của động vật v.v.

Bảng 3. Nhiệt độ phát triển cao nhất của các đại diện sinh vật trên trái đất

Cá                                          38 °C

Côn trùng                                50

Động vật đơn bào                   50

Tảo                                         56

Nấm                                       60

Vi khuẩn thường                      90

Cổ khuẩn                               113

Khả năng thích nghi đối với các điều kiện sống cực đoan của cổ khuẩn là cơ sở để giả thuyết rằng chúng là những sinh vật sống đầu tiên xuất hiện trên trái đất. Trái đất của chúng ta trong thời kỳ đầu có nhiệt độ rất cao, khoảng 100 °C trở lên, chứa nhiều ammon và khí methane trong khí quyển, do vậy những dạng sống đầu tiên phải là các sinh vật yếm khí và ưa nhiệt cao (hyper-thermophiles). Với các đặc điểm sinh lý như tính ưa nhiệt, sống kỵ khí, sử dụng các chất hữu cơ và vô cơ là nguồn năng lượng, các loài cổ khuẩn ưa nhiệt cao có lẽ phù hợp với dạng sống nguyên thuỷ mô phỏng theo điều kiện của trái đất trong thời kỳ đầu. Trong thực tế, chất chỉ thị mạch isoprene-lipid thành phần màng tế bào của cổ khuẩn được tìm thấy trong các lớp trầm tích có tuổi là 3,8 tỷ năm. Các nghiên cứu dựa trên trình tự 16S rARN cho thấy cổ khuẩn, đặc biệt là nhóm cổ khuẩn ưa nhiệt cao, tiến hoá chậm hơn đáng kể so với vi khuẩn và sinh vật nhân thật. Tuy nhiên tốc độ tiến hoá chậm của cổ khuẩn so với hai lĩnh giới còn lại có thể do môi trường sống khắc nghiệt của chúng tạo ra. Cho đến nay câu hỏi về nguồn gốc sự sống và vai trò của cổ khuẩn trong đó vẫn còn đang tiếp tục được tranh luận.

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 3.  Một trong những nơi đầu tiên cổ khuẩn được tìm thấy:suối nước nóng trong công viên Quốc gia Yellowstone (Mỹ).

Phả hệ cổ khuẩn dựa trên trình tự 16S rARN

Dựa trên so sánh trình tự 16S rARN các đại diện cổ khuẩn đã phân lập được chia thành hai nhóm chính là Euryarchaeota và Crenarchaeota (Hình 4,5). Euryarchaeota là nhóm cổ khuẩn được biết rõ nhất, bao gồm nhiều loài sinh methane, cổ khuẩn ưa mặn, khử sulfat (Archaeoglobales), Thermoplasmalates và Thermococcales. Nhóm Crenarchaeota gồm ba lớp Desulfococcales, Sulfolobales và Thermoproteales. Sau này nhóm cổ khuẩn Korarchaeota được đề xuất thêm (Hình 6), tuy nhiên chỉ dựa trên các trình tự 16S rADN có được từ các mẫu ADN tách trực tiếp từ môi trường chứ chưa có đại diện nào được phân lập và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.

 

 

Hình 4.            Các đại diện của hai nhóm cổ khuẩn Crenarchaeota và Euryarchaeota.

Hình 5.    Hình thái một số đại diện của hai nhóm cổ khuẩn Euryarchaeota và Crenarchaeota

 

 

Gần đây (2002), nhóm nghiên cứu của giáo sư Stetter, một trong những nhà nghiên cứu cổ khuẩn hàng đầu thế giới, công bố sự hiện diện của nhóm cổ khuẩn thứ tư, Nanoarchaeota, gồm những cổ khuẩn có kích thước rất nhỏ với một đại diện duy nhất được tìm thấy là Nanoarchaeum equitans (Hình 7). Loài cổ khuẩn này có tế bào hình cầu, đường kính 400 nm, sống bám trên bề mặt tế bào của một loài cổ khuẩn mới Ignicoccus sp., phân lập từ mẫu nước nóng ở độ sâu 106 m dưới đáy biển. Đây là một loài ưa nhiệt cực đoan, phát triển ở nhiệt độ tối ưu 75-98 °C. Nhiều trình tự 16S rARDN trực tiếp có được từ môi trường có nhiệt độ cao cũng khẳng định sự tồn tại và khác biệt của nhóm Nanoarchaeota so với các nhóm cổ khuẩn còn lại.

 

Đa dạng và các nhóm cổ khuẩn đại diện

Xét về các đặc điểm sinh lý, cổ khuẩn có thể phân thành bốn nhóm chính là sinh methane (methanogens), cổ khuẩn ưa nhiệt cao (hyper-therrmophiles), cổ khuẩn ưa mặn (halophiles) và cổ khuẩn ưa acid (acidophiles) thuộc lớp Thermoplasmatales với nhiều đại diện đã được phân lập và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (Hình 8).

 

Hình 8. Đại diện các nhóm cổ khuẩn chính