Procariotele (bacterii și arhee), primii locuitori ai Pământului

În trecutul recent, oamenii de știință au grupat viețuitoarele în cinci regate – animale, plante, ciuperci, protisti și procariote – pe baza mai multor criterii, cum ar fi absența sau prezența unui nucleu și a altor organite legate de membrană, absența sau prezența pereților celulari, multicelularitate și așa mai departe. La sfârșitul secolului al XX-lea, munca de pionierat a lui Carl Woese și alții au comparat secvențe de ARN ribozomal cu subunități mici (ARNr SSU), ceea ce a dus la un mod mai fundamental de a grupa organismele pe Pământ. Pe baza diferențelor în structura membranelor celulare și în ARNr, Woese și colegii săi au propus că toată viața de pe Pământ a evoluat de-a lungul a trei linii, numite domenii. Domeniul Bacteria cuprinde toate organismele din regnul Bacteria, domeniul Archaea cuprinde restul procariotelor, iar domeniul Eukarya cuprinde toate organismele eucariote – inclusiv organismele din regnurile Animalia, Plantae, Fungi și Protista.

Figura 22.1 Anumite procariote pot trăi în medii extreme, cum ar fi bazinul Morning Glory, un izvor termal din Parcul Național Yellowstone. Culoarea albastră vie a izvorului provine de la procariotele care se dezvoltă în apele sale foarte fierbinți. (Credit: Jon Sullivan/Wikimedia Commons)

Două dintre cele trei domenii – Bacteria și Archaea – sunt procariote. Procariotele au fost primii locuitori de pe Pământ, apărând cu 3,5 până la 3,8 miliarde de ani în urmă. Aceste organisme sunt abundente și omniprezente; adică sunt prezente peste tot. Pe lângă faptul că locuiesc în medii moderate, se găsesc în condiții extreme: de la izvoare fierbinți până la medii permanent înghețate din Antarctica; de la medii sărate, cum ar fi Marea Moartă, până la medii supuse unei presiuni extraordinare, cum ar fi adâncurile oceanului; și din zone fără oxigen, cum ar fi o instalație de gestionare a deșeurilor, până la regiuni contaminate radioactiv, precum Cernobîl. Procariotele rezidă în sistemul digestiv uman și pe piele, sunt responsabile pentru anumite boli și au un rol important în prepararea multor alimente.

Procariotele sunt omniprezente. Ele acoperă fiecare suprafață imaginabilă unde există suficientă umiditate și, de asemenea, trăiesc pe și în interiorul tuturor celorlalte viețuitoare. În corpul uman tipic, celulele procariote depășesc numărul celulelor corpului uman cu aproximativ zece la unu. Ele cuprind majoritatea viețuitoarelor din toate ecosistemele. Unele procariote se dezvoltă în medii care sunt inospitaliere pentru majoritatea viețuitoarelor. Procariotele reciclează nutrienții – substanțe esențiale (cum ar fi carbonul și azotul) – și conduc la evoluția unor noi ecosisteme, dintre care unele sunt naturale, iar altele sunt create de om. Procariotele au fost pe Pământ cu mult înainte de apariția vieții multicelulare. Într-adevăr, se crede că celulele eucariote sunt descendenții vechilor comunități procariote.

Procariotele, primii locuitori ai Pământului

Când și unde a început viața celulară? Care erau condițiile de pe Pământ când a început viața? Știm acum că procariotele au fost probabil primele forme de viață celulară de pe Pământ și au existat cu miliarde de ani înainte de apariția plantelor și animalelor. Pământul și luna sa au o vârstă de aproximativ 4,54 miliarde de ani. Această estimare se bazează pe dovezile din datarea radiometrică a materialului meteoritic împreună cu alt material substrat de pe Pământ și Lună. Pământul timpuriu avea o atmosferă foarte diferită (conținea mai puțin oxigen molecular) decât are astăzi și a fost supus la radiații solare puternice; astfel, primele organisme probabil ar fi înflorit acolo unde erau mai protejate, cum ar fi în adâncul oceanului sau departe sub suprafața Pământului. Activitatea vulcanică puternică era obișnuită pe Pământ în acest moment, așa că este probabil ca aceste prime organisme – primele procariote – să fi fost adaptate la temperaturi foarte ridicate. Deoarece Pământul timpuriu a fost predispus la tulburări geologice și erupții vulcanice și a fost supus bombardării radiațiilor mutagene de la soare, primele organisme au fost procariote care trebuie să fi rezistat acestor condiții dure.

Covoare microbiene

Covoarele microbiene sau biofilmele mari pot reprezenta cele mai timpurii forme de viață procariotă de pe Pământ; există dovezi fosile ale prezenței lor începând cu aproximativ 3,5 miliarde de ani în urmă. Este remarcabil că viața celulară a apărut pe Pământ la doar un miliard de ani după ce s-a format Pământul însuși, sugerând că „viața” precelulară care s-ar putea reproduce a evoluat mult mai devreme. Un covor microbian este o foaie multistratificată de procariote (Figura 22.2) care include mai ales bacterii, dar și arhei. Covoarele microbiene au o grosime de doar câțiva centimetri și cresc de obicei acolo unde diferite tipuri de materiale interacționează, mai ales pe suprafețe umede. Diferitele tipuri de procariote care le compun desfășoară diferite căi metabolice și acesta este motivul pentru diferitele lor culori. Procariotele dintr-un covor microbian sunt ținute împreună printr-o substanță lipicioasă asemănătoare unui adeziv pe care o secretă, numită matrice extracelulară.

Primele covoare microbiene și-au obținut probabil energia din substanțele chimice găsite în apropierea gurilor hidrotermale. O ventilație hidrotermală este o crăpătură sau fisură de pe suprafața Pământului care eliberează apă încălzită geotermal. Odată cu evoluția fotosintezei în urmă cu aproximativ trei miliarde de ani, unele procariote din covoarele microbiene au ajuns să folosească o sursă de energie mai disponibilă – lumina soarelui – în timp ce altele erau încă dependente de substanțele chimice din gurile hidrotermale pentru energie și hrană.

Figura 22.2 Un covor microbian. (a) Acest covor microbian, de aproximativ un metru în diametru, crește peste un orificiu hidrotermal din Oceanul Pacific, într-o regiune cunoscută sub numele de „Cercul de foc al Pacificului”. Colonia de bacterii a covorului ajută la reținerea nutrienților microbieni. Coșurile de fum precum cel indicat de săgeată permit gazelor să scape. (b) În această micrografie, bacteriile sunt vizualizate folosind microscopia cu fluorescență.

Stromatoliți

Covoarele microbiene fosilizate reprezintă cea mai veche înregistrare a vieții de pe Pământ. Un stromatolit este o structură sedimentară formată atunci când mineralele sunt precipitate din apă de către procariote într-un covor microbian (Figura 22.3). Stromatoliții formează roci stratificate formate din carbonat sau silicat. Deși majoritatea stromatoliților sunt artefacte din trecut, există locuri pe Pământ unde se formează încă stromatoliți. De exemplu, stromatoliți în creștere au fost găsiți în parcul de stat Anza-Borrego Desert din San Diego, California.

Figura 22.3 Stromatoliți. (a) Acești stromatoliți vii sunt localizați în Shark Bay, Australia. (b) Acești stromatoliți fosilizați, găsiți în Parcul Național Glacier, Montana, au o vechime de aproape 1,5 miliarde de ani.

Atmosfera antică

Figura 22.4 Cianobacterii din lacul Köyliö. Cianobacteriile primăvara sunt verzi, iar pe măsură ce apa curge în jos pe gradient, intensitatea culorii crește pe măsură ce densitatea celulară crește. Apa este mai rece la margini decât în centru, ceea ce face ca marginile să pară mai verzi.

Dovezile indică faptul că în primele două miliarde de ani de existență a Pământului, atmosfera a fost anoxică, ceea ce înseamnă că nu a existat oxigen molecular. Prin urmare, numai acele organisme care pot crește fără oxigen – organisme anaerobe – au putut trăi. Organismele autotrofe care transformă energia solară în energie chimică se numesc fototrofe și au apărut în decurs de un miliard de ani de la formarea Pământului. Apoi, cianobacteriile, cunoscute și sub numele de „alge albastre-verzi”, au evoluat din aceste fototrofe simple cel puțin un miliard de ani mai târziu. Cianobacteriile ancestrale (Figura 22.4) au început „oxigenarea” atmosferei: Oxigenul atmosferic crescut a permis evoluția unor căi catabolice mai eficiente care utilizează O₂. De asemenea, a deschis pământul către o colonizare sporită, deoarece o parte din O₂ este convertită în O₃ (ozon), iar ozonul absoarbe în mod eficient lumina ultravioletă care altfel ar fi putut provoca mutații letale în ADN. Dovezile actuale sugerează că creșterea concentrațiilor de O₂ a permis evoluția altor forme de viață.