Существуют 2 типа систематики биологических объектов: филогенетическая, или естественная, в основе которой лежит установление родственных (генетических, эволюционных) связей между организмами, и практическая, или искусственная, цель которой выявление степени сходства между организмами для быстрой их идентификации и установления принадлежности к определенным таксонам. Если существующая систематика высших организмов отражает в определенной мере эволюционные связи между ними, то есть признаки, используемые для выявления степени сходства, отражает и степень родства между этими организмами, то попытка создания на этой же основе систематики прокариот не была успешной.

Сегодня задача быстрой идентификации прокариотных организмов наиболее полно решается с помощью издания «Определитель бактерий», периодически выпускаемого Обществом американских бактериологов с привлечением крупных специалистов в области изучения тех или иных групп бактерий. Первое издание определителя было выпущено в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д. X. Берги (1860 - 1937 гг.); девятое издание в 4 томах вышло в 1984 1989 гг.

В девятом издании «Определителя бактерий» Берги все обнаруженные организмы, отнесенные в царство Рrоcаrуоtaе, разделены на 33 группы. Признаки, по которым осуществляется разделение на группы, как правило, относятся к категории легко определяемых и вынесены в названия групп, например: грамотрицательные аэробные палочки и кокки (группа 4), анаэробные грамотрицательные кокки (группа 8), грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры (группа 13), скользящие бактерии, образующие плодовые тела (группа 24). Основная идея классификации по Берги легкость идентификации бактерий.

Для осуществления этого используют совокупность признаков:

1. Морфологические признаки величина, форма, характер взаимо расположения .

2. Тинкториальные свойства способность окрашиваться различны ми красителями. Особенно важным признаком является отношение к окра ске по Граму, которое зависит от структуры и химического состава кле точной стенки бактерий. По этому признаку все бактерии делятся на грам положительные и грамотрицательные. Морфологические свойства и отно шение к окраске по Граму определяют принадлежность к крупным таксо нам роду, семейству и т.д.

3. Культуральные свойства особенности роста на жидких и плот ных питательных средах.

4. Подвижность бактерий. Различают подвижные (ползающие или скользящие, плавающие) и неподвижные бактерии.

5. Спорообразование форма и характер расположения споры в клетке.

6. Физиологические свойства способы углеродного (аутотрофы, гетеротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) питания; тип дыха ния: аэробы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы, микроаэрофилы.

7. Биохимические свойства способность ферментировать различ ные углеводы, протеолитическая активность, образование индола, серово дорода, наличие уреазы и других ферментов и т.д.

8. Чувствительность к специфическим бактериофагам.

9. Антигенные свойства. Они зависят от химического состава кле точной стенки и жгутиков бактерий.

10. Химический состав клеточных стенок (содержание и состав ос новных сахаров и аминокислот).

11. Липидный и жирнокислотный состав. Изучение состава жирных кислот проводят с помощью газовой хроматографии, которая обладает вы сокой разделительной способностью и чувствительностью.

12. Белковые спектры. С помощью методов фракционирования (двумерный электрофорез в полиакриламидном геле) разделяют сложные сме си рибосомных, мембранных или внутриклеточных белков и по лучают электрофореграммы, или белковые спектры, соответствующей фракции данного вида бактерий.

13. Нуклеотидный состав и последовательность нуклеотидов в моле куле ДНК; наличие и характер минорных оснований в ДНК; нуклеотидный состав рибосомальной РНК; последовательность аминокислот в фермент ных белках с аналогичными функциями.

Для классификации бактерий все более широко используют методы геносистематики (изучение нуклеотидного состава ДНК и наиболее важных характеристик генома: величины, молекулярной массы, объема и других параметров).

Для девятого издания «Определителя бактерий» Берги характерен отказ от построения классической иерархической системы классификации. Она заменена списком упомянутых выше групп и сохранилась только фрагментами. Ценность определителя состоит в том, что он представляет собой наиболее полную сводку известных бактериальных форм и самое современное пособие для идентификации бактерий.

В этом же руководстве предложена схема деления царства Рrоcarуotae на высшие таксоны (отделы, классы). В основу деления на отделы положено строение клеточной стенки.

Представленная в «Определителе бактерий» Берги система классификации является строго идентификационной и не решает задачи выявления эволюционных связей между прокариотами. В то же время конечной целью является построение такой системы, в основе которой лежали бы родственные связи между прокариотными организмами.

Первая попытка в этом направлении принадлежит С. Орла-Йенсену, предложившему филогенетическую систему бактерий, основанную на физиологических признаках. Важный шаг на пути создания естественной систематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии. В 60-х гг. XX в. было установлено, что все свойства организма определяются уникальными химическими молекулами ДНК, поэтому бактерии могут быть классифицированы путем сравнения их геномов. По такому признаку, как генетический материал, оказалось возможным на основании выявления степени сходства делать вывод о степени родства между организмами.

Первоначально для таксономических целей сравнивали молярное содержание суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в процентах от общего количества оснований ДНК у разных объектов.

Этот показатель у прокариот колеблется от 25 до 75 %. Однако ГЦпоказатель дает возможность только для грубого сравнения геномов. Если организмы имеют одинаковый нуклеотидный состав ДНК, возможно и сходство и различие между ними, поскольку генетическое кодирование основано не только на определенном содержании оснований в единице кодирования (триплете), но и на их взаимном расположении. Колебания нуклеотидного состава ДНК у эукариотных микроорганизмов (мол. %): грибы -

26 70, водоросли 37 68, простейшие 22 68; у высших растений и животных 35 45. Колебания в составе оснований ДНК вирусов приблизительно такие же, как у прокариот. Более тонкий метод оценки генетического сходства организмов сравнение нуклеотидных последовательностей ДНК из разных источников методом ДНК-ДНК-гибридизации. В целом значение данных о строении ДНК для систематики прокариот огромно, так как позволяет перейти от установления степени сходства к выводам о степени родства между организмами.

Помимо анализа молекул ДНК, для установления степени родства между прокариотными организмами разработаны методические подходы, позволяющие сравнивать продукты отдельных генов, выполняющие в клетке одинаковые функции. Это могут быть белки (ферредоксины, цитохромы и др.) или рРНК. С использованием последних в качестве филогенетических маркеров связано крупное открытие, позволяющее по-новому взглянуть на систему живого мира.

Выбор рРНК для решения проблем эволюционной систематики прокариот оказался удачным по ряду причин: эти молекулы обнаружены у всех клеточных форм жизни, что указывает на их древнейшее происхождение; их функции всегда одинаковы; первичная структура в целом характеризуется высокой консервативностью. Особенностью рРНК является ее нахождение вне сферы действия отбора, поэтому данные молекулы эволюционируют в результате спонтанных мутаций, происходящих с постоянной скоростью, и накопление таких мутаций зависит только от времени. Таким образом, мерой эволюционного расстояния между организмами служит количество нуклеотидных замен в молекулах сравниваемых рРНК.

Известно, что в рибосомах прокариот и эукариот присутствуют 3 типа рРНК, различающихся молекулярной массой и коэффициентом седиментации. Информационная емкость крупных молекул больше, но их труднее анализировать. Поэтому наиболее удобным оказался анализ молекул рРНК средней величины: 16S (у прокариот) и 18S (у эукариот), состоящих из 1600 и 2500 нуклеотидов. К настоящему времени последовательности

16S и й18S рРНК изучены более чем у 400 организмов, принадлежащих к

разным царствам живой природы. На основании полученных данных рассчитаны коэффициенты сходства сравниваемых организмов, что привело к неожиданным результатам: выявлены не две группы организмов, различающихся прокариотным и эукариотным типами клеточной организации, а три:

1. Одну образуют все эукариоты: высшие растения, животные, дрожжи, водоросли и т.п. В эту группу не вошли органеллы эукариот (ми тохондрии, хлоропласты). Таким образом, первая группа представлена ядерно-цитоплазматическим компонентом эукариотных клеток.

2. Ко второй группе, получившей название бактерий, относится по давляющее большинство прокариот. Сюда же попали на основании степе ни гомологии 16SрРНК митохондрии и хлоропласты эукариотных клеток.

3. Наконец, в третью группу вошли некоторые малоизученные прокариоты, обитающие в экстремальных условиях: метанобразующие бактерии, экстремальные галофилы и термоацидофилы. Эта группа организмов получила название архебактерий.

Общая характеристика архей. Хотя клетки архей структурно относятся к прокариотному типу, они построены из макромолекул (липидов, полисахаридов, белков), многие из которых являются уникальными и не синтезируются ни эукариотами, ни бактериями. Археи осуществляют ряд биохимических процессов, не свойственных остальным живым организмам. На основании этого был сделан вывод, что археи, по-видимому, представляют собой одну из самых древних групп живых существ.

Среди архей выделяют: 1. Метаногены анаэробы (восстанавливают СО2 до метана по реакции СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О + 31,3 ккал/моль, водород потребляют из атмосферы). 2. Экстремальные галофилы аэробы, способные расти в насыщенном растворе NaCl (от 12 15 до 32 %). Обладают системой фотосинтеза, отличной от системы фотосинтезирующих бактерий, так как у них нет хлорофилла, но есть бактериородопсин.

3. Термоацидофилы характеризуются высокими оптимальными температурами (от +75 до +90 °С) и низким значением рН (от 5 6 до 1 2) для своего роста. Экстремальные условия существования архей указывают на то, что их предки возникли тогда, когда физические условия существенно отличались от современных. Патогенных видов среди них не обнаружено. Открытие в мире прокариот группы архей поставило заново вопрос о путях клеточной эволюции с момента возникновения некоей гипотетической первичной клетки.

Традиционная общая схема клеточной эволюции основывается на следующих предположениях: из популяции первичных клеток в результате целого ряда событий, приведших к повышению уровня клеточной организации, под давлением естественного отбора возникла популяция предко вых прокариотных клеток, из которых в конечном итоге произошли разные группы прокариот. Маловероятно, чтобы предковые прокариотные клетки все были «на одно лицо». Единственная их общая черта прокариотная организация (см. табл. 1). Эукариотная клетка возникла в результате эндосимбиоза, в котором ядерно-цитоплазматическим компонентом, то есть клеткой-хозяином, и эндосимбионтами, превратившимися впоследствии в митохондрии и хлоропласты, были существенно различающиеся между собой прокариотные клетки. Следствием такого взгляда на общий ход эволюции явилось признание двух основных надцарств живых организмов Рrоcаrуоtае и Еucаrуоtае.