آرکی‌ها | چیستی، ویژگی‌ها، طبقه‌بندی، زیستگاه و کاربردها

آرکی‌ها (Archaea) گروهی از موجودات میکروسکوپی هستند که دنیای حیات را از زاویه‌ای متفاوت می‌بینند. این موجودات نه‌تنها در زیستگاه‌های افراطی (Extrem) مانند چشمه‌های آتشفشانی و دریاچه‌های نمکی زندگی می‌کنند، بلکه ویژگی‌هایی دارند که آن‌ها را از باکتری‌ها و حتی یوکاریوت‌ها متمایز می‌کند. رازهای بی‌شماری در دنیای آرکی‌ها نهفته است که می‌تواند به درک بهتر زیست‌شناسی و کاربردهای نوین علمی کمک کند. در این مطلب به معرفی آرکی‌ها، تفاوت‌هایشان با دیگر موجودات زنده و دنیای شگفت‌انگیز آن‌ها خواهیم پرداخت پس با مجله بیوزوم همراه باشید.

تعریف آرکی‌ها

آرکی‌ها یکی از سه حوزه اصلی حیات، در کنار باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها هستند و پروکاریوت‌های تک‌سلولی را شامل می‌شوند که با باکتری‌ها تفاوت دارند. آن‌ها به‌عنوان یکی از قدیمی‌ترین اشکال حیات شناخته می‌شوند.

نام Archaea از کلمه یونانی ” ARCHAIOS” به معنای ابتدایی گرفته شده است. آن‌ها ویژگی‌های اولیه زندگی مانند ساختار ساده، روش ساده کسب تغذیه و بیوشیمی، و زیستگاه شدید را نشان می‌دهند.

در ابتدا، تحت سیستم دو-قلمرویی، آرکی‌ها به‌عنوان نوعی از باکتری‌ها در نظر گرفته می‌شدند و در حوزه ‘Prokaryota’  قرار داشتند و با نام آرکی‌باکتری‌ها شناخته می‌شدند. بااین‌حال، مطالعات بیوشیمیایی و ژنتیکی نشان داد که آرکی‌ها دارای ویژگی‌های متابولیک و ترکیبات ژنتیکی متفاوتی نسبت به باکتری‌ها هستند. در سال 1977، کارل ووز (Carl Woese ) و جورج ای. فاکس (George E. Fox) برای اولین‌بار با استفاده از تجزیه‌وتحلیل ژن  rRNA، آرکی‌ها را به‌عنوان موجوداتی متفاوت از باکتری‌ها پیشنهاد دادند و پیشنهاد کردند که آن‌ها به‌عنوان حوزه‌های مختلف حیات شناخته شوند.

خلاصه‌ای از تفاوت آرکی‌ها و باکتری‌ها

• غشای سلولی آرکی‌ها از پیوندهای اتر با زنجیره‌های شاخه‌دار ایزوپرن (Isoprene) تشکیل شده است (بر خلاف غشای سلولی باکتری‌ها که دارای پیوندهای استر با اسیدهای چرب غیر شاخه‌دار است).
• دیوارهای سلولی آرکی‌ها فاقد پپتیدوگلیکان هستند، اما برخی از آنها حاوی ماده‌ای با ساختار مشابه به نام پسودوپپتیدوگلیکان (Pseudopeptidoglycan) یا پسودومورین (Pseudomurein) هستند.
• ژنوم‌های آرکی‌ها بزرگ‌تر و پیچیده‌تر از ژنوم‌های باکتری‌ها هستند.

حوزه آرکی‌ها به‌اندازه حوزه باکتری‌ها متنوع است و نمایندگان آن‌ها را می‌توان در هر زیستگاه یافت. برخی از آرکی‌ها مزوفیل هستند، و بسیاری از آنها اکسترموفیل  (Extremophiles) (به گروهی از موجودات زنده اطلاق می‌شود که قادرند در شرایط محیطی بسیار سخت و غیرقابل‌تحمل برای اکثر اشکال حیات دیگر زندگی کنند.) هستند و شرایط محیطی شدیداً گرم یا سرد، شوری بالا یا سایر شرایطی را که برای بیشتر اشکال حیات روی زمین خصمانه است، ترجیح می‌دهند. متابولیسم آن‌ها به محیط‌های سخت سازگار شده است و می‌توانند متانوژنز (Methanogenesis) را انجام دهند، به‌عنوان‌مثال که باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها نمی‌توانند.

ویژگی‌های متمایز آرکی‌ها

 Archaea برخی از ویژگی‌های مولکولی و فیزیولوژیکی متمایز را نشان می‌دهد که از تقسیم آنها به‌عنوان یک حوزه جداگانه حیات پشتیبانی می‌کند. برخی از ویژگی‌های متمایز آرکی عبارت‌اند از:

1- دیواره سلولی

دیواره‌های سلولی آرکئال فاقد پپتیدوگلیکان، جزء اصلی دیواره سلولی باکتری است. دیواره‌های سلولی آرکی‌های مختلف از نظر شیمیایی از مواد مختلف و عمدتاً از مواد مختلف تشکیل شده‌اند.

پلی‌ساکاریدها و گلیکوکونژوگیت‌ها (Glycoconjugate)

 برخی از متانوژن‌ها حاوی شبه پلی‌ساکارید (شبه مورئین) در دیواره سلولی خود هستند. اگرچه شبه پلی‌ساکاریدها از نظر ساختاری شبیه به پلی‌ساکارید باکتریایی هستند، اما از نظر شیمیایی متفاوت هستند – فاقد اسیدهای آمینه D و N-استیل مورامیک اسید هستند.

2- غشای سلولی و پروتئین‌های غشایی تخصصی (Cell Membrane and Specialized Membrane Proteins)

غشای سیتوپلاسمی آرکی‌ها با یوکاریوت‌ها و باکتری‌ها متفاوت است. غشای سلولی آن‌ها از لیپیدهای گلیسرول-اتر تشکیل شده است، برخلاف لیپیدهای گلیسرول-استر در دیگر حوزه‌ها.

ساختار  فسفولیپید غشای سلولی آرکی‌ها از نظر استریو شیمیایی با یوکاریوت‌ها و باکتری‌ها متفاوت است. آن‌ها ستون – sn گلیسرول-1-فسفات ( sn-glycerol-1-phosphate ) دارند درحالی‌که سایرین (یوکاریوت‌ها و باکتری‌ها) ساختار ستون  – snگلیسرول-3-فسفات (sn-glycerol-3-phosphate) دارند.

اسیدهای چرب در غشاها نیز از نظر ساختاری متفاوت هستند به این صورت که اسیدهای چرب در غشای آرکی‌ها ایزوپرنوئیدهای بلند و شاخه‌دار با زنجیره‌های جانبی متعدد هستند و برخی نیز حلقه‌های سیکلوپروپان یا سیکلوهگزان دارند، درحالی‌که اسیدهای چرب در غشاهای باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها مستقیم و بدون شاخه و حلقه هستند. غشاها همچنین حاوی پروتئین‌های تخصصی مانند رودوپسین‌ها هستند که در جذب نور و تولید گرادیان پروتون نقش دارند.

3- ژنتیک

ژنوم‌های آرکی‌ها دارای ژن‌های منحصربه‌فردی هستند که پروتئین‌هایی را که مختص به آن‌ها هستند، کد می‌کنند. توالی‌های rRNA و ژن‌های tRNA آن‌ها نیز در بسیاری از جهات منحصربه‌فرد هستند. برخی از ژن‌های آرکی ممکن است اینترون‌ها را داشته باشند. انتقال افقی ژن در بسیاری از جنس‌های آرکی رایج است.

4- پیچیدگی RNA پلیمراز (The complexity of RNA Polymerase)

RNA پلیمرازهای آرکی‌ها متفاوت و پیچیده هستند. آن‌ها بیشتر به RNA پلیمرازهای یوکاریوت‌ها شباهت دارند.

5- متابولیسم

گونه‌های مختلفی از آرکی‌ها قادر به متانوژنز هستند. متانوژنز فرایند تولید گاز متان در هنگام متابولیسم است و این فرایند تنها در آرکی‌ها دیده می‌شود. علاوه بر این، آن‌ها قادر به شیمیولیتوتروفی، فتوآتوتروفی و رشد هایپرترموفیلیک هستند.

6- زیستگاه‌هایی با شرایط متفاوت

آرکی‌ها در چندین زیستگاه افراطی از جمله مکان‌های با شوری بالا، مکان‌های فوق‌العاده اسیدی و قلیایی، و مکان‌های بسیار سرد و بسیار گرم که سایر اشکال حیات نمی‌توانند در آن‌ها زنده بمانند، مستعمره می‌شوند.

طبقه‌بندی آرکی‌ها

بر اساس رابطه فیلوژنتیکی (ارتباطات تکاملی بین گروه‌های مختلف موجودات زنده)، آرکی‌ها به شاخه‌های (phylum) مختلفی تقسیم می‌شوند که برخی از آن‌ها به‌خوبی شناخته شده‌اند و برخی اخیراً کشف شده‌اند و همچنان شاخه‌های پیشنهادی هستند. برخی از آن‌ها به شرح زیر معرفی شده‌اند:

یوریا آرکیوتا (Euryarchaeota)

این شاخه به‌خوبی شناخته شده و بزرگ‌ترین شاخه از آرکی‌ها است که دارای جنس‌های متنوعی است که می‌توانند در شرایط بسیار قلیایی، بسیار نمکی و بسیار دما پسند زنده بمانند. چندین متانوژن نیز در این شاخه قرار می‌گیرند. اگرچه در ابتدا یوریا آرکیوتا به‌عنوان افراطی پسند در نظر گرفته می‌شد، چندین جنس از محیط‌های عادی مانند چشمه‌های آب، خاک، آب، ریزوسفر، روده‌ها و غیره جدا شده‌اند.

ترموپروتوتا (Thermoproteota)

قبلاً به‌عنوان کرنارکیوتا ( Crenarchaeota) شناخته می‌شد و شامل فراوان‌ترین آرکی‌های دریایی است که بیشتر آن‌ها ترموفیل‌های وابسته به گوگرد و ترموفیل‌های افراطی هستند.

نیتروسوسفراتا (Nitrososphaerota)

این یک شاخه  پیشنهادی شامل سنارکیوم سیمبیوزوم (Cenarchaeum symbiosum) و سه گونه از جنس نیتروسوپومیلس (Nitrosopumilus ) است که در ابتدا به‌عنوان اعضای شاخه ترموپروتوتا (Thermoproteota) طبقه‌بندی شده بودند. توالی ژن rRNA و آنزیم توپوایزومراز در این‌گونه‌ها متفاوت از دیگر اعضای شاخه ترموپروتوتا بود؛ بنابراین این شاخه در سال 2008 پیشنهاد شد.

نانوآرکیوتا (Nanoarchaeota)

این شاخه اخیراً پیشنهاد شده و شامل گونه کشت‌شده نانوآرکیوم اکویتانس (Nanoarchaeum equitans) و جنس‌های پیشنهادی دیگر است.

کورآرکیوتا (Korarchaeota)

همچنین به‌عنوان زنارکیوتا (Xenarchaeota) شناخته می‌شود، کورآرکیوتا یک دودمان منشعب از آرکی‌ها است که توالی‌های rRNA  و توالی‌های پروتئینی متفاوتی نسبت به دیگر شاخه‌ها دارند. مشخص شده که آن‌ها ویژگی‌های هر دوشاخه، یوریا آرکیوتا (Euryarchaeota) و ترموپروتوتا (Thermoproteota) را دارند.

آیگارکیوتا (Aigarchaeota)

این شاخه پیشنهادی شامل عضو شناخته‌شده کالدی‌آرکیوم سابتراسیوم (Caldiarchaeum subterraneum) است. بااین‌حال، این شاخه هنوز موردبحث و جدال است و به دلیل شباهت ویژگی‌های آن با اعضای نیتروسوسفراتا (Nitrososphaerota) پذیرفته نشده است.

زیستگاه آرکی‌ها

در ابتدا گزارش شده بود که آرکی‌ها فقط در زیستگاه‌های شدید یافت می‌شوند؛ بااین‌حال، پس از توسعه و استفاده از تکنیک‌های مستقل از کشت، مشخص شد که آرکی‌ها در طبیعت همه‌جا حضور دارند. آن‌ها زیستگاه‌های شدید ممکن را تعریف می‌کنند که در آن اشکال حیات می‌توانند زنده بمانند و رشد کنند.

انواع مختلفی از جنس‌های آرکی در مکان‌های شدید؛ مانند محیط‌های فوق‌ شور، فوق‌ اسیدی، بی‌هوازی و شرایط دمای شدید؛ مانند چشمه‌های آب گرم و منافذ هیدروترمال یافت می‌شوند. برخی از جنس‌های این مکان‌های شدید را می‌توان با استفاده از محیط کشت در آزمایشگاه کشت داد، اما اکثر جنس‌ها، چه در زیستگاه‌های شدید و چه در زیستگاه‌های عادی، قابل‌کشت نیستند.

. برآورد می‌شود که حدود 20 درصد از میکروفلور اقیانوس‌ها توسط آرکی‌ها اشغال شده است. حتی در شرایط فوق‌ شور مانند دریاچه‌های نمک و سودا، گونه‌های متنوعی از آرکی‌های هالوفیل مانند Halobacterium spp، Haloquadratum spp.، Natronomonas spp. و دیگر گونه‌ها یافت می‌شوند. همچنین، آرکی‌های ترموفیل در منافذ هیدروترمال، چشمه‌های آب گرم و مناطق آتشفشانی زندگی می‌کنند. گونه‌هایی مانند Pyrococcus furiosus ، Thermococcus kodakarensis، Pyrolobus fumarii  و Methanopyrus kandleri حتی در دماهای 100 درجه سانتی‌گراد یا بالاتر نیز قادر به رشد هستند.

 در مقابل این‌ها، چندین گونه سایکروفیل شدید هستند و حتی در دمای انجماد (برخی از آن‌ها حتی می‌توانند در دمای -10 تا -20 درجه سانتی‌گراد زنده بمانند) دریاچه‌های قطب جنوب، اقیانوس‌های قطب شمال، دریای یخ قطبی و غیره زنده می‌مانند . Halorubrum lacusprofundi، Haloarcula spp.، Psychromonas ingrahamii، Methanogenium spp.  و غیره در چنین مکان‌های بسیار سردی گزارش شده‌اند.

شرایط اسیدی با pH 0  نیز مکان‌های مناسبی برای رشد گونه‌هایی مانند  Picrophilus torridus هستند. شرایط قلیایی شدید با pH 11 یا بیشتر نیز مانعی برای بقای آرکی‌هایی مانند Natronobacterium spp.، Alkaliphilus spp.،  Natronorubrum spp.  و غیره نیست.

اهميت اکولوژيکي آرکي‌ها

آرکی‌ها گروه متنوعی از میکروارگانیسم‌ها هستند که به طور گسترده در زمین یافت می‌شوند، حتی در شرایط محیطی شدید. آن‌ها نقش‌های اکولوژیکی مهمی مانند موارد زیر را ایفا می‌کنند:

متان‌زایی (Methanogenesis)

 آرکی‌ها تنها اشکال حیات شناخته شده‌ای هستند که از نظر متابولیکی گاز متان را در محیط طبیعی تولید می‌کنند.

چرخه مواد مغذی در زیستگاه‌های شدید (Nutrient cycling in extreme habitats)

آرکی‌ها می‌توانند در چندین مکان شدید رشد کنند و نقش مهمی در حفظ چرخه‌های مواد مغذی در چنین مکان‌های شدیدی دارند که سایر تولیدکنندگان، مصرف‌کنندگان و تجزیه‌کنندگان نمی‌توانند در آن‌ها زنده بمانند. آن‌ها به‌تدریج چنین مکان‌های شدیدی را غنی از مواد آلی و مواد معدنی غیرآلی قابل‌استفاده می‌کنند و در نهایت به ایجاد یک اکوسیستم متنوع کمک می‌کنند.

چرخه‌های بیو ژئوشیمیایی (Biogeochemical Cycling)

 آرکی‌ها به‌وفور در تقریباً هر منطقه از سطح زمین یافت می‌شوند که در آن به طور فعال در چرخه نیتروژن، چرخه کربن، چرخه گوگرد و سایر چرخه‌های بیو ژئوشیمیایی شرکت می‌کنند.

روابط هم‌زیستی (Symbiotic Relationship)

 مشاهده شده است که آرکی‌ها باریشه گیاهان، صخره‌های مرجانی و حتی روده حیوانات در ارتباط هم‌زیستی هستند.

حفظ اکوسیستم دریایی (Maintenance of Marine Ecosystem)

برآورد می‌شود که حدود 20 درصد از میکروفلور دریایی از آرکی‌ها تشکیل شده است. آن‌ها نقش‌های مهمی در حفظ چرخه‌های بیوژئوشیمیایی، تولید مواد آلی و تجزیه در محیط‌های دریایی ایفا می‌کنند.

کاربردهای انسانی آرکی‌ها

دانشمندان در حال تحقیق بر روی چندین جنس از آرکی‌ها هستند و کاربردهای متعددی برای آن‌ها در جهت منافع ما و محیط‌زیست ارائه کرده‌اند. برخی از کاربردهای رایج آرکی‌ها در زیر فهرست شده‌اند:

• آنزیم‌های اکستریموفیل‌ها در چندین کاربرد صنعتی مانند فراوری مواد غذایی، تولید مواد شوینده، فراوری چرم، آنزیم‌های ترموفیل و غیره استفاده می‌شوند.
• آن‌ها در تولید بیوگاز (گاز متان) استفاده می‌شوند.
• بیورمدیاسیون کاربرد مهم دیگری است. از چندین آرکی‌ها برای حذف زباله‌های شیمیایی مضر، فلزات (بیولیچینگ) و آلاینده‌ها از محیط‌های آلوده استفاده می‌شود.
• آرکی‌ها همچنین در فرایندهای تخمیر برای تولید پنیر و برخی از غذاهای تخمیر شده استفاده می‌شوند. آن‌ها همچنین به‌عنوان پروبیوتیک استفاده می‌شوند.
• چندین فرایند پالایشگاه زیستی شامل تولید اسیدهای آمینه، آنزیم‌ها، سوخت‌های زیستی و غیره در حال مطالعه هستند.
• برخی از آرکی‌ها تولید پلی هیدروکسی آلکانوات‌ها (PHAها) را انجام می‌دهند که می‌توان از آن‌ها برای ساخت بیوپلاستیک استفاده کرد.

جمع‌بندی

امید است بامطالعه این مطلب از مجله بیوزوم دید بهتری درمورد موجودات میکروسکوپی و آرکی‌ها به دست آورده باشید. به طور خلاصه آرکی‌ها گروهی منحصربه‌فرد از موجودات میکروبی هستند که با ویژگی‌های خاص خود، تفاوت‌های زیادی با باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها دارند. این موجودات در محیط‌های افراطی و سخت زندگی می‌کنند و قادرند فرایندهای زیستی خاصی را انجام دهند که دیگر موجودات نمی‌توانند. از جمله ویژگی‌های برجسته آرکی‌ها می‌توان به دیوار سلولی خاص، ساختار پیچیده RNA پلیمراز و متابولیسم‌های منحصربه‌فرد آن‌ها اشاره کرد. آرکی‌ها به چند دسته مختلف طبقه‌بندی می‌شوند، از جمله Euryarchaeota و Thermoproteota که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای متفاوتی دارند. این موجودات نه‌تنها در اکوسیستم‌های طبیعی نقش مهمی ایفا می‌کنند، بلکه در صنایع مختلف انسانی نیز کاربردهایی دارند. به‌طورکلی، آرکی‌ها به‌عنوان موجوداتی با قابلیت‌های شگفت‌انگیز، توجه بسیاری از محققان و دانشمندان را به خود جلب کرده‌اند و به درک بهتر فرایندهای زیستی و زیست‌محیطی کمک می‌کنند.