I 2001, blev et international projekt kaldet ”All Species Inventory”, lanceret. Projektets formål er at identificere og registrere alle arter af liv på Jorden i de næste 25 år. Disse forskere har taget et udfordrende mål: mens biologer har identificeret mere end 1,7 millioner forskellige mikroorganismer indtil nu, skønnes det, at antallet af levende arter skal findes i området mellem 10 til 100 millioner.
Blandt disse mange og forskelligartede organismer, er der dog mange ligheder. For eksempel består alle organismer af celler omgivet af en plasmamembran, de bruger ATP til energi og opbevarer deres genetiske information i DNA. Disse ligheder er resultatet af evolution, eller afstamning fra en fælles forfader. I 1859, foreslog den engelske naturforsker Charles Darwin, at naturlig udvælgelse, var ansvarlig for lighederne, samt forskellene mellem organismer. Forskellene kan tilskrives overlevelsen af organismer med træk, der passer bedst til et bestemt miljø.
For at lette forskning, stipendium og kommunikation, bruger vi taksonomi – det vil sige, vi sætter organismerne i kategorier, eller taksa (ental: takson), for at vise grader af ligheder blandt organismer. Disse ligheder skyldes slægtsskab – alle organismer er relaterede gennem evolution. Systematik eller fylogeni, er studiet af den evolutionære historie for organismer og hierarkiet af taksa afspejler deres evolutionære eller fylogenetiske relationer.
Den måde, vi har klassificeret organismer på, har ændret sig meget i løbet af de sidste mange århundreder. På Aristoteles tidspunkt, blev levende organismer kategoriseret på blot to måder, som enten planter eller dyr. I 1735 introducerede Carolus Linnaeus et formelt system for klassificering med to riger – Plantae og Animalia. Som de biologiske videnskaber har udviklet sig, søgte man et naturligt klassifikationssystem – et der grupperer organismer baseret på forfædrenes relationer og giver mulighed for at se rækkefølgen af livet. I 1800-tallet, foreslog Carl von Nägeli, at bakterier og svampe placeredes i planteriget, mens Ernst Haeckel foreslog Riget Protister, til at omfatte bakterier, protozoer, alger og svampe. I 100 år, fortsatte biologer med at følge Nägeli’s placering af bakterier og svampe i planteriget – ironisk, eftersom DNA sekventering viser, at svampe er tættere på dyrene end på planterne. Svampe blev placeret i deres eget rige i 1959.
Udtrykket prokaryot blev introduceret i 1937 for at skelne mellem celler som ingen kerne har og kerneholdige celler fra planter og dyr. I 1968 foreslog G. E. Murray Riget Prokaryotae.
I 1969, grundlage Robert H. Whittaker fem-rige systemet, hvor prokaryoter blev placeret i Riget Prokaryotae eller Monera og eukaryoter omfattede de øvrige fire Riger. Riget Prokaryotae var baseret på mikroskopiske observationer. Efterfølgende fremskridt inden for molekylærbiologi viste, at der faktisk er to typer af prokaryote celler og en type eukaryote celler.
8.1.1 De tre Domæner
Opdagelsen af de tre celletyper var baseret på observationerne af, at ribosomer ikke er de samme i alle celler. Ribosomer er til stede i alle celler. Sammenligning af sekvenserne af nukleotider i ribosomalt RNA fra forskellige slags celler viser, at der er tre markante forskellige cellegrupper: de eukaryote og to typer prokaryoter – bakterierne og arkæerne.
I 1978, foreslog Carl R Woese, at man opløftede de tre celletyper til et niveau over rige, kaldet domæne. Woese mente, at arkæerne og bakterierne, selvom de ligner hinanden i udseende, burde danne deres egne separate domæner på det evolutionære træ (se figur 8.1.1.1). Ud over forskelli i rRNA, varierer de tre domæner i membranlipidstruktur, transfer-RNA molekyler og følsomhed over for antibiotika (se tabel 8.1.1.1).
I denne bredt accepterede inddeling, er dyr, planter og svampe riger i domænet Eukaryota. Domænet Bacteria omfatter alle de patogene prokaryoter samt mange af de ikke-patogene prokaryoter der findes i jord og vand. De fotoautotrofe prokaryoter findes også i dette domæne. Domænet Archaea indeholder prokaryoter, der ikke har peptidoglycan i deres cellevægge. De lever ofte i ekstreme miljøer og udfører usædvanlige metaboliske processer. Archaea omfatter tre hovedgrupper:
- Methanogener, strengt anaerobe organismer, der producerer metan (CH4) fra kuldioxid og vand.
- Ekstreme halofile organismer, der kræver høje koncentrationer af salt for at kunne overleve.
- Hypertermofile organismer, der normalt vokser i ekstremt varme miljøer.
De evolutionære forhold mellem de tre domæner er genstand for aktuel forskning af biologer. Baseret på rRNA analyse, dukkede de tre cellelinjer tydeligt op som celler dannet for 3,5 milliarder år siden. Det førte til Archaea, Bacteria og i hvad der i sidste ende blev til det nukleoplasma fra eukaryoter. Imidlertid blev de tre cellelinjer ikke isoleret fra hinanden; horisontal genoverførsel, synes at have forekommet mellem dem. Analyse af komplette genomer viser, at hvert domæne deler gener med andre domæner. En fjerdedel af de gener bakterien Thermotoga har, er sandsynligvis erhvervet fra en arkæ. Genoverførsel er også set mellem eukaryote værter og deres prokaryotiske symbionter.
De ældste kendte fossiler er resterne af prokaryoter, der levede for mere end 3,5 milliarder år siden. Eukaryote celler udviklede sig først senere, for omkring 2,5 milliarder år siden. Ifølge den endosymbiotiske teori, har eukaryote celler udviklet sig fra prokaryote celler, der levede inde i hinanden som endosymbionter. Faktisk giver ligheden mellem prokaryote cellers og eukaryote cellers organeller et slående bevis for dette endosymbiotiske forhold (se tabel 8.1.1.2).
Den oprindelige nukleoplasmidiske celle var prokaryot. Dog, kan dens plasmamembran have foldet sig ind og have omkranset dens nukleare region for at danne en sand cellekerne (se figur 8.1.1.2). For nyligt, har franske forskere ydet støtte til denne hypotese, med observationer af en sand cellekerne i Gemmata bakterier. Over tid, kan nukleoplasmakromosomet have erhvervet stykker, som for eksempel transposoner. I nogle celler, kan dette store kromosom have opsplittet sig i mindre lineære kromosomer. Måske har celler med lineære kromosomer en fordel ved celledeling, i forhold til dem der har et stort, uhåndterbart cirkulært kromosom.
Den nukleoplasmatiske celle forsynede den oprindelige vært, gennem endosymbiotiske bakterier, med hvad der udviklede sig til organeller. Et eksempel på en moderne prokaryot dom lever i en eukaryot celle, er vist i figur 8.1.1.3. En cyanobakterie-lignende celle og dens eykaryote vært, har brug for hinanden for at overleve.
Taksonomi indeholder nogle værktøjer til afklaring af udviklingen af organismer, samt deres indbyrdes relationer. Nye organismer bliver opdaget hver dag og taksonomer fortsætter med at søge efter et naturligt klassifikationssystem, der afspejler fylogenetiske relationer.
8.1.2 Et fylogenetisk stamtræ
I et fylogenetisk stamtræ, grupperes organismer i henhold til fælles egenskaber som indebærer, at en gruppe af organismer har udviklet sig fra en fælles forfader; hver art bevarer nogle af de særlige kendetegn som forfaderen havde. Nogle af de oplysninger der anvendes til at klassificere og bestemme fylogenetiske relationer i højere organismer, kommer fra fossiler. Knogler, skaller eller stængler, der indeholder mineralsk stof, eller har efterladt aftryk i sten der engang var mudder, er eksempler på fossiler.
Strukturerne af de fleste mikroorganismer, kan ikke forstenes let. Nogle undtagelser er dog følgende:
- En marineprotist, hvis forstenede kolonier danner ”White Cliffs” i Dover i England
- Stromatolitter, er de forstenede rester af trådformede bakterier og sedimenter, der blomstrede for mellem 0,5 og 2 milliarder år siden (Se figur 8.1.2.1a og 8.1.2.1b)
- Cyanobakterie-lignende celler, findes som fossiler i bjergarter, der er 3,0 til 3,5 milliarder år gamle. Disse menes at være de ældst kendte fossiler (se figur 8.1.2.1c)
Fordi fossile beviser ikke er tilgængelige for de fleste prokaryoter, skal deres fylogeni baseres på nogle andre beviser. I en bemærkelsesværdig undtagelse, er det lykkedes forskere at isolere bakterier og gær, der er 25 til 40 millioner år gamle. I 1995, rapporterede den amerikanske mikrobiolog Raul Cano og hans kollegaer, voksende Bacillus sphaericus og andre endnu uidentificerede mikroorganismer, der havde overlevet indlejret i rav (forstenet harpiks fra planter og træer) i millioner af år. Hvis denne opdagelse bekræftes, bør det give flere oplysninger om udviklingen af mikroorganismer.
Ligheder i genomer, kan bruges til at gruppere organismer i taksa og give en tidslinje for fremkomsten af taksa. Dette er især vigtigt for mikroorganismer, der normalt ikke efterlader fossile beviser. Dette koncept for et molekylært ur, der er baseret på forskelle i aminosyrer i hæmoglobin hos forskellige dyr, blev først foreslået i 1960’erne. Et molekylært ur for evolution er baseret på nukleotidsekvenser i genomerne for organismer. Mutationer ophobes i et genom ved en konstant hastighed. Nogle gener, som for eksempel de for rRNA, har få mutationer – disse er stærkt konserverede gener. Andre regioner af et genom, ændres uden nogen synlig effekt på organismen. Ved at sammenligne mutationer mellem to organismer, med den forventede ændringshastighed, tilvejebringer et estimat for, hvornår de to organismer afveg fra en fælles forfader. Denne teknik blev anvendt for at spore vejen af Vest Nil virussen til USA.
Konklusioner fra studier af rRNA sekventering og DNA hybridisering fra udvalgte ordner og familier af eukaryoter, er i overensstemmelse med de fossile optegnelser. Dette har tilskyndet forskere til at bruge DNA hybridisering og rRNA sekventering for at få en bedre forstpelse af de evolutionære relationer mellem prokaryote grupper.
8.1.3 Videnskabelig nomenklatur
I en verden beboet af millioner af levende organismer, skal biologer være sikre på, at de ved præcis hvilken organisme der bliver diskuteret. Man kan ikke bruge almindelige navne, fordi det samme navn ofte bruges til flere forskellige organismer på forskellige lokaliteter. For eksempel der er to forskellige organismer med fællesnavnet spansk mos og ingen af dem er faktisk en mos. Derudover, kan almindelige navne være vildledende og er forskellige på forskellige sprog. Et system af videnskabelige navne blev derfor udviklet for at løse dette problem.
Hver organisme er tildelt to navne, eller en binomial. Disse navne er slægtens navn og et specifikt tilnavn (arten) og begge navne er understreget eller skrevet med kursiv. Slægtens navn skrives altid med stort forbogstav og er altid et substantiv. Artsnavnet skrives med små bogstaver og er normalt et adjektiv. Fordi dette system giver to navne til hver organisme, kaldes systemet binomial nomenklatur.
Lad os se på nogle eksempler. Vores egen slægt og specifikke navn er Homo sapiens. Slægten betyder ”mennesket”; det specifikke tilnavn betyder ”klogt”. En skimmel der forurener brød kaldes Rhizopus stolonifer. Rhizo- (rod) beskriver skimmelsvampens rodlignende strukturer; stolo- (et skud) beskriver den lange hyfer.
Binomials bruges af forskere over hele verden, uanset deres modersmål. Denne nomenklatur gør dem i stand til at dele viden effektivt og præcist. Flere videnskabelige enheder er ansvarlige for oprettelse af reglerne for navngivning af organismer. Videnskabelige navne er taget fra latin (et slægtsnavn kan dog tages fra græsk) eller latiniseres ved at tilføjelse af det passende suffiks. Suffikser for orden og familie er –ales og –aceae henholdsvis.
Efterhånden som nye laboratorieteknikker gør mere detaljerede beskrivelser af mikroorganismer mulig, kan to slægter omklassificeres som en enkelt slægt, eller en slægt kan opdeles i to eller flere slægter. For eksempel viste rRNA analyse, at ”Streptococcus faecalis” kun er fjernt beslægtet med de andre streptokok arter; derfor blev en ny slægt kaldet Enterococcus skabt og denne art blev omdøbt til E. faecalis. Overgangen til nye navne kan være forvirrende, så det gamle navn skrives ofte i parentes. For eksempel ville en læge på udkig efter årsagen til en patients lungebetændelsessymptomer (meliodosis) finde det bakterielle navn Burkholderia (Pseudomonas) pseudomallei.
8.1.4 Det taksonomiske hierarki
Alle organismer, kan inddeles i en række underafdelinger, der udgør det taksonomiske hierarki. Linné udviklede dette hierarki til hans klassificering af planter og dyr. En eukaryot art, er en gruppe af nært beslægtede organismer, der yngler indbyrdes (bakteriearter vil blive behandlet senere). En slægt består af arter, der afviger fra hinanden på bestemte måder, men som er af samme afstamning. For eksempel Quercus, slægtsnavnet for eg, består af alle typer egetræer (hvid eg, rød eg, bureg, fløjlseg og så videre). Selvom hver art af eg adskiller sig fra alle andre arter, er de relaterede genetisk. Ligesom en række arter udgør en slægt, udgør beslægtede slægter en familie. En gruppe af lignende familier udgør en orden og en gruppe af lignende ordner udgør en klasse. Beslægtede klasser udgør til gængæld en række. Således har en særlig organisme (eller art) et slægtsnavn og specifikt tilnavn og tilhører en familie, orden, klasse og række.
Alle rækker der er beslægtede til hinanden udgør et rige og beslægtede riger er grupperet i et domæne, se figur 8.1.4.1.
8.1.5 Klassifikation af prokaryoter
Den taksonomiske klassifikation for prokaryoter findes i Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, 2nd edition. I Bergey’s Manual, er prokaryoter opdelt i to domæner: Bacteria og Archaea. Hvert domæne er opdelt i rækker. Husk, at klassificeringen er baseret på ligheder i rRNAs nukleotidsekvenser. Klasser er opdelt i ordner; ordner i familier; familier i slægter; og slægter i arter.
En prokaryot art, er defineret noget anderledes end en eukaryot art, der er en gruppe af nært beslægtede organismer, som kan krydses. I modsætning til reproduktionen i eukaryote organismer, er celledelingen i bakterier ikke direkte bundet til seksuel konjugation, som er sjælden og ikke altid behøver være artsspecifikke. En prokaryotisk art, defineres derfor blot som en population af celler med tilsvarende karakteristika (de typer af karakteristika, vil blive behandlet senere). Medlemmerne af en bakterie art, kan næsten ikke skelnes fra hinanden, men adskiller sig fra medlemmer af andre arter, som regel på grundlag af flere karakteristika. Som vi tidligere har beskrevet, dyrkes bakterier i medier, der kaldes en kultur. En renkultur, er ofte en klon, en population af celler, afledt fra en enkelt forældrecelle. Alle celler i klonen bør derfor være identiske, men i nogle tilfælde er rene kulturer af samme art ikke identiske på alle måder. Hver sådan gruppe, kaldes en stamme. Stammer identificeres med tal, bogstaver eller navne, der følger efter det specifikke tilnavn (artsnavn).
Bergey’s Manual giver en reference til identifikation af bakterier i laboratoriet, samt nen klassificeringoversigt for bakterier. En oversigt for de evolutionære relationer af bakterier er vist i figur 8.1.5.1.
8.1.6 Klassifikation af eukaryoter
Nogle af rigerne i domænet Eukaryota er vist i figur 8.1.1.1.
I 1969, blev nogle simple eukaryote organismer, for det meste encellede, grupperet i riget Protista, et slags ”catchall” rige for en række forskellige organismer. Historisk set, blev eukaryote organismer, der ikke passede ind i andre riger, placeret i Protistariget. Cirka 200.000 arter er blevet identificeret indtil nu og disse organismer er ernæringsmæssigt ret forskelligartede – fra fotosyntetiske til obligate intracellulære parasitter. Ribosomal RNA sekventering, gør det muligt at placere protister i grupper, baseret på deres afstamning fra fælles forfædre. Følgelig bliver organismerne der er blevet klassificeret som protister, opdelt i clader eller genetisk beslægtede grupper. For nemheds skyld, vil vi fortsætte med at bruge udtrykket protister, til at henvise til encellede eukaryoter og deres nære slægtninge.
Svampe, planter og dyr, udgør de tre riger af mere komplekse eukaryote organismer, hvoraf de fleste er flercellede.
Riget Fungi, omfatter encellede gær, flercellede skimmel og makroskopiske arter som for eksempel svampe. En svamp absorberer opløst organisk stof gennem sin plasmamembran, for at få råvarer til sine vitale funktioner. Cellerne i en flercellet svamp, er almindeligvis forbundet ved dannelse af tynde rør kaldet hyfer. Svampe udvikles fra sporer eller fra fragmenter af hyfer.
Riget Plantae (planter) omfatter mosser, bregner, nåletræer og blomstrende planter. Alle medlemmer af dette rige er flercellede. Til energiudvinding, bruger en plante fotosyntese, en proces der omdanner kuldioxid og vand til organiske molekyler, der anvendes af planten.
Riget af flercellede organismer, kaldet Animalia (dyr) omfatter svampe, forskellige orme og dyr med skeletter (hvirveldyr). Dyr får næringsstoffer og energi, ved at indtage organisk stof gennem en mund af en slags.
8.1.7 Klassifikation af virus
Vira er ikke klassificeres som en del af de tre domæner. De er ikke sammensat af celler og de anvender det anabolske maskineri i levende værtsceller til at formere sig. Et viral genom, kan direkte biosyntetiseres inde i en værtscelle og nogle virale genomer kan inkorporeres i værtens genom. Den økologiske niche af et virus, er dets specifikke værtscelle, så virus kan være mere nært beslægtet med deres værter end med andre vira. Den Internationale Komité for Taksonomi af Virus, definerer en viral art, som en population af virus, med lignende egenskaber (herunder morfologi, gener og enzymer), der indtager en særlig økologisk niche.
Vira er obligate intracellulære parasitter. Virale gener båret i genomet hos andre organismer giver en optegnelse over viral evolution. Nyere analyser viser, at bornavirusgener blev integreret i pattedyr, herunder mennesker, for mindst 40 millioner år siden. Der er tre hypoteser om oprindelsen af virus: (1) De er opstået fra uafhængigt replikerende strenge af nukleinsyrer (som for eksempel plasmider). (2) De udviklede sig fra degenerative celler, der gennem mange generationer, efterhånden mistede evnen til at overleve selvstændigt, men kunne overleve når de var tilknyttet til en anden celle. (3) De udviklede sig sammen med værtsceller. For eksempel er det blevet antaget, at den bakterielle cellevæg gav en selektiv fordel til at undgå virale infektioner, der kunne gennemtrænge den bakterielle cellevæg.
8.2 – Metoder til klassifikation og identifikation af mikroorganismer →