Obiettivi formativi

1. Differenziare tra batteri, archaea, ed eukarya.
2. Disegna le relazioni filogenetiche tra batteri, archaea ed eukarya.
3. Identifica i modi in cui archaea e batteri ottengono energia e carbonio.
4. Spiegare le prove fossili, chimiche e genetiche per eventi chiave per l’evoluzione dei tre domini della vita (batteri, archaea, eukarya)
5. Spiegare perché la fioritura dei cianobatteri ha portato all’ossigenazione dell’atmosfera.,
6. Posiziona l’evoluzione dei tre domini della vita sulla scala temporale geologica.
7. Descrivere l’importanza dei procarioti (batteri e archaea) rispetto alla salute umana e ai processi ambientali.

Tre domini della vita sulla Terra

I confronti delle sequenze di DNA e i confronti strutturali e biochimici categorizzano costantemente tutti gli organismi viventi in 3 domini primari: Batteri, Archaea ed Eukarya (chiamati anche Eucarioti; questi termini possono essere usati in modo intercambiabile)., Sia i batteri che gli Archaea sono procarioti, microrganismi unicellulari senza nuclei, e Eukarya include noi e tutti gli altri animali, piante, funghi e protisti unicellulari-tutti organismi le cui cellule hanno nuclei per racchiudere il loro DNA a parte il resto della cellula. I reperti fossili indicano che i primi organismi viventi erano procarioti (Batteri e Archaea), e gli eucarioti sorsero un miliardo di anni dopo.

Suggerimento di studio: Si suggerisce di creare un grafico per confrontare e contrastare i tre domini della vita mentre si legge.,

Le informazioni di seguito è stato adattato da OpenStax Biologia 22.2

Archaea e Batteri condividono una serie di caratteristiche, ma sono anche distinti ambiti della vita:

• Sia Archaea e i Batteri sono organismi unicellulari. In questo modo sono diversi dagli eucarioti, che includono sia organismi unicellulari che multicellulari
• Archaea e le cellule batteriche mancano di organelli o altre strutture interne legate alla membrana., Pertanto, a differenza degli eucarioti, archaea e batteri non hanno un nucleo che separa il loro materiale genetico dal resto della cellula.
• Archaea e batteri hanno generalmente un singolo cromosoma circolare – un pezzo di DNA circolare a doppio filamento situato in un’area della cellula chiamata nucleoide. Al contrario, molti eucarioti hanno cromosomi multipli e lineari.
• Archaea e batteri si riproducono attraverso la fissione, un processo in cui una singola cellula riproduce il suo singolo cromosoma e si divide in due., Gli eucarioti si riproducono attraverso la mitosi, che include passaggi aggiuntivi per replicare e dividere correttamente più cromosomi tra due cellule figlie. Molti eucarioti si riproducono anche sessualmente, dove un processo chiamato meiosi riduce il numero di cromosomi della metà per produrre cellule aploidi (tipicamente chiamate spermatozoi o uova), e quindi due cellule aploidi si fondono per creare un nuovo organismo. Archaea e batteri non possono riprodursi sessualmente.,
• Quasi tutti i procarioti hanno una parete cellulare, una struttura protettiva che consente loro di sopravvivere in condizioni estreme, che si trova all’esterno della loro membrana plasmatica. Al contrario, alcuni eucarioti hanno pareti cellulari, mentre altri no. La composizione della parete cellulare differisce significativamente tra i domini Batteri e Archaea. Le pareti cellulari batteriche sono composte da peptidoglicano, un complesso di proteine e zuccheri, mentre le pareti cellulari archaeal sono composte da polisaccaridi (zuccheri)., La composizione delle loro pareti cellulari differisce anche dalle pareti cellulari eucariotiche presenti nelle piante (cellulosa) o nei funghi e negli insetti (chitina). Alcuni batteri hanno una capsula esterna al di fuori della parete cellulare.
• Altre strutture sono presenti in alcune specie procariote, ma non in altre. Ad esempio:
  • La capsula presente in alcune specie consente all’organismo di attaccarsi alle superfici, lo protegge dalla disidratazione e dall’attacco delle cellule fagocitiche e rende gli agenti patogeni più resistenti alle nostre risposte immunitarie.,
  • Alcune specie hanno anche flagelli (singolare, flagello) usati per la locomozione e pili (singolare, pilus) usati per l’attaccamento alle superfici.
  • I plasmidi, che consistono in DNA extra-cromosomico, sono presenti anche in molte specie di batteri e archaea.
• I procarioti, in particolare gli Archaea, possono sopravvivere in ambienti estremi che sono inospitali per la maggior parte degli esseri viventi.

Diversità metabolica dei procarioti

Le informazioni riportate di seguito sono state adattate da OpenStax Biology 22.3

I procarioti sono stati e sono in grado di vivere in ogni ambiente utilizzando qualsiasi fonte di energia e carbonio disponibile. Procarioti riempiono molte nicchie sulla Terra, tra cui essere coinvolti in cicli di nutrienti come cicli di azoto e carbonio, decomposizione organismi morti, e fiorente all’interno di organismi viventi, compresi gli esseri umani., La gamma molto ampia di ambienti che occupano i procarioti è possibile perché hanno diversi processi metabolici. I fototrofi (o organismi fototrofi) ottengono la loro energia dalla luce solare. I chemotrofi (o organismi chemiosintetici) ottengono la loro energia dai composti chimici.

I procarioti non solo possono utilizzare diverse fonti di energia ma anche diverse fonti di composti del carbonio. Ricordiamo che gli organismi che sono in grado di fissare il carbonio inorganico (ad esempio l’anidride carbonica) in carbonio organico (ad esempio il glucosio) sono chiamati autotrofi., Al contrario, gli eterotrofi devono ottenere carbonio da composti organici. I termini che descrivono come i procarioti ottengono energia e carbonio possono essere combinati. Pertanto, i fotoautotropi utilizzano energia dalla luce solare e carbonio dall’anidride carbonica e dall’acqua, mentre i chemoeterotrofi ottengono energia e carbonio da una fonte chimica organica. I chemioautotrofi ottengono la loro energia dai composti inorganici e costruiscono le loro molecole complesse dall’anidride carbonica. Infine, i fotoeterotrofi usano la luce come fonte di energia, ma richiedono una fonte di carbonio organico (non possono fissare l’anidride carbonica in carbonio organico)., In contrasto con la grande diversità metabolica dei procarioti, gli eucarioti sono solo fotoautotropi (piante e alcuni protisti) o chemoeterotrofi (animali, funghi e alcuni protisti). La tabella seguente riassume le fonti di carbonio ed energia nei procarioti.,d=”36c0e46128″>

relazioni Filogenetiche tra Archaea, Batteri ed Eucarioti

Mentre il termine prokaryota (“prima-nucleo”) è ampiamente usato per descrivere sia Archaea e Batteri, si può vedere dall’Albero filogenetico della Vita sotto che questo termine non descrive un gruppo monofiletico:

Infatti, Archaea ed Eukarya formano un gruppo monofiletico, non Archaea e Batteri. Queste relazioni indicano che archaea sono più strettamente legati agli eucarioti che ai batteri, anche se superficialmente archaea sembrano essere molto più simili ai batteri rispetto agli eucarioti.,

Eventi chiave e prove nell’evoluzione dei tre domini della vita sulla Terra

Primi anni di vita sulla Terra: La Terra ha circa 4,6 miliardi di anni in base alla datazione radiometrica. Mentre è formalmente possibile che la vita sia sorta durante l’eone Hadean, le condizioni potrebbero non essere state abbastanza stabili sul pianeta per sostenere la vita perché si pensava che un gran numero di asteroidi si fossero scontrati con il pianeta durante la fine dell’Hadean e l’inizio degli eoni Archeano. Prove da microfossili (letteralmente “fossili microscopici”) suggerisce che la vita era presente sulla Terra almeno 3.,8 miliardi di anni fa. Le prime prove chimiche della vita, sotto forma di firme chimiche prodotte solo da organismi viventi, risalgono a circa 3,6 miliardi di anni fa. Come erano queste prime forme di vita? Per i primi miliardi di anni di esistenza della Terra, l’atmosfera era anossica, il che significa che non c’era ossigeno molecolare (O2). Così i primi esseri viventi erano unicellulari, anaerobi procarioti (che vivevano senza ossigeno) e probabilmente chemiotrofi.,

La rivoluzione dell’ossigeno: l’evoluzione della fotosintesi che divide l’acqua e genera ossigeno da parte dei cianobatteri ha portato al primo ossigeno molecolare libero circa 2,6 miliardi di anni fa. L’ossigeno libero prodotto dai cianobatteri ha immediatamente reagito con il ferro solubile negli oceani, causando la precipitazione dell’ossido di ferro (ruggine) dagli oceani. L’ossigeno non si è accumulato tutto in una volta e le prove indicano che gli oceani non erano completamente ossigenati fino a 850 milioni di anni fa (Mya)., Oggi vediamo la prova del lento accumulo di ossigeno nell’atmosfera attraverso formazioni di ferro a bande presenti nelle rocce sedimentarie di quel periodo.

L’aumento di ossigeno, chiamato “La rivoluzione dell’ossigeno”, ha permesso l’evoluzione di corpi e organi e tessuti più grandi, come il cervello, con alti tassi metabolici. L’aumento di ossigeno è un esempio drammatico di come la vita può alterare il pianeta., L’evoluzione della fotosintesi ossigenata ha cambiato l’atmosfera del pianeta nel corso di miliardi di anni, e a sua volta ha causato cambiamenti radicali nella biosfera: da un ambiente anossico popolato da procarioti anaerobici unicellulari, agli eucarioti che vivono in un ambiente microaerofilo (a basso contenuto di ossigeno), a organismi multicellulari in un ambiente ricco di ossigeno., Il video qui sotto fornisce una panoramica della Rivoluzione dell’ossigeno (aka, la Catastrofe dell’ossigeno), compresi i suoi effetti dannosi sugli organismi che vivevano all’epoca:

Origini degli eucarioti: come sono nati gli eucarioti? L’ipotesi principale, chiamata teoria endosimbiotica, è che gli eucarioti sorsero come risultato di una fusione di cellule arcaiche con batteri, dove un antico Arcaico inghiottì (ma non mangiò) un’antica cellula batterica aerobica., La cellula batterica inghiottita (endosymbiosed) è rimasta all’interno della cellula archaean in quella che potrebbe essere stata una relazione mutualistica: il batterio inghiottito ha permesso alla cellula archaean ospite di utilizzare l’ossigeno per rilasciare l’energia immagazzinata nei nutrienti e la cellula ospite ha protetto la cellula batterica dai predatori. L’evidenza dei microfossili suggerisce che gli eucarioti sorsero tra 1,6 e 2,2 miliardi di anni fa. I discendenti di questa antica cellula inghiottita sono presenti in tutte le cellule eucariotiche oggi come mitocondri. Discuteremo la teoria endosimbiotica per l’origine degli eucarioti più nella prossima lettura.,

Forme di vita complesse: gran parte della vita sulla Terra è stata individuata fino a poco prima dell ‘ “esplosione” cambriana, quando vediamo emergere tutti i moderni phyla animali. La radiazione cambriana (che significa rapida diversificazione evolutiva) si è verificato ca. 540 Mya. Il termine” esplosione ” si riferisce ad un aumento della biodiversità degli organismi multicellulari all’inizio del Cambriano, 540 milioni di anni fa., La vita multicellulare apparve solo diverse decine di milioni di anni prima dell’inizio del Cambriano, come fossili dall’aspetto bizzarro (fossili di Ediacaran biota/Doushantuo) e mostrava piani corporei diversi da qualsiasi altro animale visto oggi. Queste specie in gran parte scomparvero e furono sostituite dalla fauna cambriana, la cui varietà include tutti i piani del corpo trovati nei phyla animali attuali. L’aspetto della fauna cambriana si estende per milioni di anni; non tutti appaiono contemporaneamente come il termine “esplosione” implica inesattamente.,

Posizionamento di eventi chiave sulla scala temporale geologica

Come si mappano ciascuno di questi eventi sul tempo geologico? La maggior parte di loro non sono “istantanee” di eventi, e in modo che si estendono su più periodi di tempo, come segue:

• eone Adeano (4.6-4 DAUN): No vita presenti sulla Terra
• eone Archeano (da 4 a 2.5 BYA)
  • Origine della vita (procariote, anaerobica), 2.8-2.6 BYA
  • Prima di cianobatteri, in grado di produrre ossigeno attraverso la fotosintesi, ~2.5 BYA
• eone Proterozoico (2.,5 BYA a 542 MYA)
  • La rivoluzione dell’ossigeno (o catastrofe, a seconda del punto di vista) e la formazione di formazioni di ferro fasciato, si verifica in un periodo da 2,5 a 1,9 BYA
  • Primi eucarioti unicellulari, ~1,6 BYA
  • Prime alghe multicellulari, ~1.,4 BYA
  • Prima gli animali multicellulari, ~635 MYA
• eone Fanerozoico (542 MYA ad oggi)
  • esplosione del Cambriano (la maggior parte dei principali phyla animali apparso nella documentazione fossile), 542 MYA
  • Ovviamente molti altri eventi che si verificano nel Fanerozoico, e passeremo la maggior parte del resto di questo modulo di discussione

Collegamenti per la salute umana e i processi ambientali

Le informazioni di seguito è stato adattato da OpenStax Biologia 22.,4 Alcune specie procariotiche possono nuocere alla salute umana come agenti patogeni: devastanti malattie e piaghe trasmesse da agenti patogeni, sia virali che batteriche, hanno colpito gli esseri umani fin dall’inizio della storia umana, ma all’epoca la loro causa non era compresa. Col passare del tempo, la gente si rese conto che stare a parte le persone afflitte (e le loro cose) tendeva a ridurre le probabilità di ammalarsi. Affinché un agente patogeno causi la malattia, deve essere in grado di riprodursi nel corpo dell’ospite e danneggiare l’ospite in qualche modo, e per diffondersi, deve passare a un nuovo ospite., Nel 21 ° secolo, le malattie infettive rimangono tra le principali cause di morte in tutto il mondo, nonostante i progressi compiuti nella ricerca medica e nei trattamenti negli ultimi decenni. Le informazioni seguenti sono state adattate da OpenStax Biology 22.5 Non tutti i procarioti sono patogeni; gli agenti patogeni rappresentano solo una percentuale molto piccola della diversità del mondo microbico. In realtà, la nostra vita non sarebbe possibile senza procarioti. Alcune specie procariotiche sono direttamente benefiche per la salute umana:

• I batteri che abitano la nostra pelle e il tratto gastrointestinale fanno una miriade di cose buone per noi., Ci proteggono dagli agenti patogeni, ci aiutano a digerire il nostro cibo e producono alcune delle nostre vitamine e altri nutrienti. Più recentemente, gli scienziati hanno raccolto prove che questi batteri possono anche aiutare a regolare i nostri stati d’animo, influenzare i nostri livelli di attività e persino aiutare a controllare il peso influenzando le nostre scelte alimentari e i modelli di assorbimento. Il progetto Microbiome umano ha iniziato il processo di catalogazione dei nostri batteri normali (e archaea) in modo da poter comprendere meglio queste funzioni.,Gli scienziati stanno anche scoprendo che l’assenza di alcuni microbi chiave dal nostro tratto intestinale può crearci una serie di problemi. Questo sembra essere particolarmente vero per quanto riguarda il corretto funzionamento del sistema immunitario. Ci sono risultati intriganti che suggeriscono che l’assenza di questi microbi è un importante contributo allo sviluppo di allergie e alcune malattie autoimmuni. La ricerca è attualmente in corso per verificare se l’aggiunta di alcuni microbi al nostro ecosistema interno possa aiutare nel trattamento di questi problemi e nel trattamento di alcune forme di autismo.,
• Un esempio particolarmente affascinante della nostra flora normale riguarda i nostri sistemi digestivi. Le persone che assumono alte dosi di antibiotici tendono a perdere molti dei loro normali batteri intestinali, consentendo a una specie naturalmente resistente agli antibiotici chiamata Clostridium difficile di crescere eccessivamente e causare gravi problemi gastrici, in particolare diarrea cronica. Ovviamente, cercando di trattare questo problema con antibiotici rende solo peggio., Tuttavia, è stato trattato con successo dando ai pazienti trapianti fecali (le cosiddette “pillole di cacca”) da donatori sani per ristabilire la normale comunità microbica intestinale. Sono in corso studi clinici per garantire la sicurezza e l’efficacia di questa tecnica.

Altri procarioti influenzano indirettamente, ma drammaticamente, la salute umana attraverso il loro ruolo nei processi ambientali:

• I procarioti svolgono un ruolo critico nel ciclo biogeochimico di azoto, carbonio, fosforo e altri nutrienti. Il ruolo dei procarioti nel ciclo dell’azoto è fondamentale. L’azoto è un elemento molto importante per gli esseri viventi, perché fa parte dei nucleotidi e degli amminoacidi che sono i mattoni degli acidi nucleici e delle proteine, rispettivamente., L’azoto è di solito l’elemento più limitante negli ecosistemi terrestri, con l’azoto atmosferico, N2, che fornisce il più grande pool di azoto disponibile. Tuttavia, gli eucarioti non possono utilizzare l’azoto atmosferico e gassoso per sintetizzare le macromolecole. Fortunatamente, l’azoto può essere “fisso”, il che significa che viene convertito in ammoniaca (NH3) biologicamente o abioticamente. La fissazione abiotica dell’azoto si verifica a seguito di fulmini o di processi industriali. La fissazione biologica dell’azoto (BNF) viene eseguita esclusivamente da procarioti: batteri del suolo, cianobatteri e Frankia spp., (batteri filamentosi che interagiscono con piante actinorhizali come ontano, bayberry e felce dolce). Dopo la fotosintesi, BNF è il secondo processo biologico più importante sulla Terra.
• I procarioti sono anche essenziali nel biorisanamento microbico, nell’uso di procarioti (o metabolismo microbico) per rimuovere gli inquinanti, come i prodotti chimici agricoli (pesticidi, fertilizzanti) che filtrano dal suolo nelle acque sotterranee e nel sottosuolo, e alcuni metalli e ossidi tossici, come i composti di selenio e arsenico., Uno degli esempi più utili e interessanti dell’uso dei procarioti per scopi di biorisanamento è la pulizia delle fuoriuscite di petrolio, tra cui la fuoriuscita di Exxon Valdez in Alaska (1989) e, più recentemente, la fuoriuscita di petrolio BP nel Golfo del Messico (2010). Per ripulire queste fuoriuscite, ulteriori nutrienti inorganici che aiutano i batteri a crescere vengono aggiunti all’area e la crescita dei batteri rompe gli idrocarburi in eccesso.,