Archea

Šablona:Infobox organismus

Archea (vědecky Archaea, dříve též archebakterie) jsou rozsáhlou doménou jednobuněčných prokaryotických organismů. Ačkoliv se svým vzhledem podobají bakteriím, z hlediska fylogeneze a některých metabolických procesů mají blíže k eukaryotům, kam patří i člověk. Byla objevena jako samostatná linie života teprve v roce 1977 americkým mikrobiologem Carlem Woesem.

Původně byla archea považována pouze za extrémofily, organismy žijící v nehostinných podmínkách, jako jsou hydrotermální průduchy, extrémně slaná jezera nebo silně kyselé prostředí. Pozdější výzkum však ukázal, že jsou hojně rozšířena i v mírnějších prostředích, včetně oceánů, půdy a dokonce tvoří součást lidského mikrobiomu. Hrají klíčovou roli v globálních biogeochemických cyklech, zejména v koloběhu uhlíku a dusíku.

Unikátní biochemické vlastnosti, jako je stavba buněčné membrány nebo enzymy schopné fungovat v extrémních podmínkách, činí z archeí zajímavý cíl pro biotechnologické využití. Nejnovější výzkumy navíc naznačují, že eukaryotické organismy se vyvinuly právě z linie uvnitř archeí, což zásadně mění pohled na evoluční strom života.

⏳ Historie objevu

Až do 70. let 20. století byl svět živých organismů dělen na dvě hlavní říše: Eukaryota (živočichové, rostliny, houby) a Prokaryota (všechny mikroorganismy bez buněčného jádra). Tento pohled změnil mikrobiolog Carl Woese z Univerzity v Illinois.

Woese se svým kolegou Georgem E. Foxem použil novou metodu pro zkoumání evolučních vztahů – srovnávání sekvencí ribozomální RNA (rRNA). Tato molekula je přítomna ve všech živých buňkách a její sekvence se mění jen velmi pomalu, což z ní činí ideální "evoluční hodiny". Během analýzy rRNA různých prokaryot si v roce 1977 všimli, že skupina organismů produkujících methan (tzv. methanogeny) má rRNA sekvenčně zcela odlišnou od všech známých bakterií.

Tento objev byl natolik zásadní, že vedl k přepsání základního stromu života. Woese a Fox navrhli, že život na Zemi se dělí na tři základní domény:

Bakterie (Bacteria, dříve Eubacteria)
Archea (Archaea, původně Archaebacteria)
Eukaryota (Eukarya)

Tento třídoménový systém je dnes všeobecně přijímán. Název "archea" (z řeckého archaios – starobylý) byl zvolen proto, že se původně předpokládalo, že tyto organismy jsou pozůstatky nejstarších forem života na Zemi, které přežívají v extrémních podmínkách podobných těm na rané planetě.

🧬 Charakteristika a rozdíly

Ačkoliv archea a bakterie jsou obě prokaryota (nemají buněčné jádro), liší se v několika zásadních biochemických a genetických znacích. V některých ohledech se archea paradoxně více podobají eukaryotům.

Srovnání základních znaků tří domén života
Znak	Archea	Bakterie	Eukaryota
Buněčné jádro	Ne	Ne	Ano
Lipidy v membráně	Éterová vazba, rozvětvené řetězce (izopreny)	Esterová vazba, nerozvětvené mastné kyseliny	Esterová vazba, nerozvětvené mastné kyseliny
Buněčná stěna	Neobsahuje peptidoglykan (může obsahovat pseudopeptidoglykan)	Obsahuje peptidoglykan	Neobsahuje peptidoglykan (chitin u hub, celulóza u rostlin)
RNA polymeráza	Jedna, ale komplexní (podobná eukaryotickým)	Jedna, jednoduchá	Tři typy (RNA pol I, II, III), komplexní
Iniciační aminokyselina	Methionin (jako u eukaryot)	Formylmethionin	Methionin
Histony	Ano, podobné eukaryotickým	Ne (mají histon-like proteiny)	Ano

Klíčovým a unikátním znakem archeí je složení jejich buněčné membrány. Místo mastných kyselin spojených s glycerolem esterovou vazbou (jako u bakterií a eukaryot) používají archea rozvětvené izoprenoidní řetězce spojené éterovou vazbou. Tato vazba je chemicky stabilnější a umožňuje archeím přežívat v extrémních teplotách a pH. U některých druhů jsou dokonce lipidy propojeny napříč membránou a tvoří tak pevnou jednovrstvu (monolayer) místo klasické dvouvrstvy.

🌍 Výskyt a ekologie

Archea jsou kosmopolitní a obývají neuvěřitelně širokou škálu prostředí.

Extrémní prostředí

Právě v extrémních podmínkách byla archea poprvé objevena a jsou zde dominantními formami života.

Termofilové a hypertermofilové: Žijí v prostředí s vysokými teplotami, jako jsou horké prameny (Yellowstonský národní park), gejzíry a podmořské hydrotermální průduchy ("černí kuřáci"). Některé druhy, jako Pyrolobus fumarii, rostou optimálně při 106 °C a přežijí i teplotu 121 °C.
Psychrofilové (nebo kryofilové): Obývají prostředí s nízkými teplotami, například polární ledovce, permafrost a hluboké oceány.
Halofilové: Daří se jim v extrémně slaných prostředích, jako je Mrtvé moře, Velké solné jezero v USA nebo solné odpařovací nádrže. Způsobují zde charakteristické červené nebo oranžové zbarvení vody.
Acidofilové a alkalofilové: Žijí v prostředí s extrémně nízkým pH (kyselé) nebo vysokým pH (zásadité). Příkladem jsou kyselé sopečné prameny nebo sodová jezera.
Barofilové (piezofilové): Jsou adaptováni na život pod vysokým tlakem, například na dně Mariánského příkopu.

Mírná prostředí

Dnes víme, že archea nejsou omezena jen na extrémy. Tvoří významnou část biomasy v mírnějších podmínkách:

Oceány: Tvoří až 20 % veškeré mikrobiální biomasy v oceánech a hrají klíčovou roli v koloběhu dusíku.
Půda a sedimenty: Jsou běžnou součástí půdních a jezerních ekosystémů.
Mikrobiom živočichů: Archea, zejména methanogeny, jsou běžnou součástí trávicího traktu mnoha živočichů, včetně přežvýkavců, termitů a lidí. Ve střevech přeměňují produkty bakteriální fermentace (jako H₂ a CO₂) na methan.

🔬 Metabolismus a fyziologie

Metabolická rozmanitost archeí je obrovská. Dokáží využívat širokou škálu zdrojů energie a uhlíku.

Chemotrofové: Získávají energii z chemických reakcí. Litoautotrofové využívají anorganické sloučeniny jako vodík, amoniak nebo sloučeniny síry. Organotrofové rozkládají organické látky.
Fototrofové: Některé druhy, jako například Halobacterium, jsou schopny získávat energii ze slunečního světla, ale nepoužívají k tomu chlorofyl a fotosyntézu jako sinice nebo rostliny. Místo toho mají protein bakteriorodopsin, který funguje jako světlem poháněná protonová pumpa.

Jedním z nejunikátnějších a nejvýznamnějších metabolických procesů, který se vyskytuje výhradně u archeí, je metanogeneze. Jedná se o proces produkce methanu (CH₄) jako konečného produktu anaerobní respirace. Methanogeny využívají jednoduché substráty, jako je oxid uhličitý (CO₂) a vodík (H₂), nebo kyselina octová, a přeměňují je na methan. Tento proces je klíčový v globálním cyklu uhlíku a probíhá v anaerobních prostředích, jako jsou mokřady, rýžová pole, dna jezer a trávicí trakty živočichů.

📜 Klasifikace a původ eukaryot

Fylogenetická klasifikace archeí se neustále vyvíjí díky pokrokům v genomice a objevům nových linií. Tradičně se archea dělila na dva hlavní kmeny:

Euryarchaeota: Zahrnuje metabolicky velmi rozmanité skupiny, včetně methanogenů, extrémních halofilů a některých hypertermofilů.
Crenarchaeota: Původně zahrnoval pouze termofilní a hypertermofilní druhy, ale později byly v tomto kmeni objeveny i druhy žijící v chladných mořských vodách.

Moderní klasifikace založená na analýze celých genomů odhalila mnohem složitější obraz a zavedla nové nadkmeny, jako je TACK a DPANN.

Největší revoluci v našem chápání evoluce přinesl objev nadkmenu Asgard. Tento nadkmen, pojmenovaný po sídle severských bohů, zahrnuje kmeny jako Lokiarchaeota, Thorarchaeota, Odinarchaeota a Heimdallarchaeota. Genomická analýza těchto archeí odhalila, že obsahují velké množství tzv. "eukaryotických podpisových proteinů" (ESPs) – genů, o kterých se dříve myslelo, že jsou unikátní pro eukaryota. Tyto geny kódují proteiny zodpovědné za komplexní buněčné procesy, jako je tvorba cytoskeletu, membránové přenosy a vezikulární transport.

Tento objev poskytl silný důkaz pro hypotézu, že eukaryotická buňka vznikla z hostitelské buňky, která patřila právě do skupiny Asgard archaea, a která následně pohltila alfaproteobakterii, z níž se vyvinula mitochondrie. To znamená, že eukaryota jsou v podstatě specializovanou větví uvnitř domény Archea, což by mohlo vést k revizi třídoménového systému na systém dvou domén (Bakterie a Archea, přičemž Eukaryota by spadala pod Archea).

💡 Pro laiky: Co jsou archea?

Představte si, že všechen život na Zemi je jako obrovská mapa se třemi velkými kontinenty. První kontinent jsou Bakterie – známe je dobře, jsou všude kolem nás, některé způsobují nemoci, jiné pomáhají. Druhý kontinent jsou Eukaryota – to je náš domov, patří sem všechna zvířata, rostliny a houby, tedy vše, co vidíme pouhým okem.

A pak je tu třetí, dlouho skrytý kontinent – Archea. Zpočátku si vědci mysleli, že je to jen podivný poloostrov bakteriálního kontinentu, protože jeho obyvatelé (jednotlivé buňky) vypadají pod mikroskopem podobně. Ale když se podívali na jejich "jazyk" (genetickou informaci) a "stavební materiál" (chemii jejich buněk), zjistili, že jsou úplně jiní.

Obyvatelé tohoto kontinentu jsou mistři v přežití. Najdete je na nejnehostinnějších místech planety: ve vařící vodě sopečných pramenů, v extrémně slaných jezerech, kde by nic jiného nepřežilo, nebo v naprosté tmě na dně oceánu. Zároveň ale žijí i na úplně obyčejných místech, třeba v půdě na vaší zahradě nebo ve vašich střevech, kde pomáhají s trávením.

Největší překvapení je, že my, obyvatelé "eukaryotického kontinentu", jsme vlastně potomky dávného spojení mezi obyvatelem kontinentu Archea a jedné malé bakterie. Archea jsou tedy nejen naši prastaří a odolní příbuzní, ale také klíč k pochopení toho, jak vznikl složitý život.

🔬 Využití v biotechnologii

Unikátní vlastnosti archeí, zejména jejich schopnost přežívat v extrémních podmínkách, z nich činí cenný zdroj pro průmysl a biotechnologie.

Termostabilní enzymy: Enzymy z hypertermofilních archeí jsou schopny fungovat při velmi vysokých teplotách, což je výhodné pro mnoho průmyslových procesů. Nejznámějším příkladem je DNA polymeráza Pfu z archea Pyrococcus furiosus, která se používá v polymerázové řetězové reakci (PCR) díky své vysoké přesnosti a stabilitě.
Bioremediace: Některé druhy archeí dokáží rozkládat znečišťující látky, jako jsou ropné uhlovodíky nebo fenol, a to i v extrémních podmínkách (vysoká salinita, teplota), kde by běžné bakterie selhaly.
Produkce bioplynu: Methanogenní archea jsou klíčovou složkou v bioplynových stanicích, kde v procesu anaerobní digesce rozkládají biomasu (např. hnůj nebo organický odpad) a produkují methan, který slouží jako obnovitelný zdroj energie.
Farmaceutický průmysl: Enzymy z psychrofilních (chladnomilných) archeí nacházejí uplatnění například v pracích prášcích pro studené praní nebo v potravinářství.

Zdroje

```