Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất

Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất

Môi trường sống của cổ
khuẩn và giả thuyết về hình
thành sự sống trên trái đất
Bởi:
Nguyễn Lân Dũng

Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái
đất
Cổ khuẩn được biết đến như những vi sinh vật thích nghi với các môi trường có điều
kiện cực đoan (extreme) như nhiệt độ cao (thermophilic), nơi lạnh giá (psychrophilic),
nồng độ muối cao (halophilic) hay độ acid cao (acidophilic) v.v. Đó cũng là một lý do
giải thích tại sao cổ khuẩn lại khó được phân lập và nuôi cấy trong điều kiện phòng thí
nghiệm. Trong giới sinh vật, cổ khuẩn có các đại diện cư trú ở các điều kiện nhiệt độ cao
hơn cả (Bảng 3, Hình 3), nhiều loài có thể sống ở nhiệt độ trên 100 °C dưới áp suất cao
như ở các miệng núi lửa dưới đáy đại dương. Cơ chế thích nghi của tế bào vi sinh vật
với nhiệt độ cao như vậy còn đang được nghiên cứu. Ở cổ khuẩn, một số phương thức
thích nghi với nhiệt độ cao được biết đến như tác dụng của enzyme gyraza trong việc
bảo vệ cấu trúc xoắn của ADN dưới tác động của nhiệt, hay ete-lipid, nhất là C40-lipid
trong màng tế bào của cổ khuẩn, giúp làm tăng đô bền vững của màng. Tuy nhiên cổ
khuẩn không chỉ sống ở các môi trường cực đoan. Ngoài đại dương cổ khuẩn tồn tại với
một số lượng lớn. Trên đất liền các loài cổ khuẩn sinh methane ưa ấm có mặt ở nhiều
môi trường khác nhau, như các bể lên men chất thải hữu cơ, các chân ruộng lúa ngập
nước, đường tiêu hoá của động vật v.v.

Bảng 3. Nhiệt độ phát triển cao nhất của các đại diện sinh vật trên trái đất
Cá

38 °C

Côn trùng

50

Động vật đơn bào

50

1/5


Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất

Tảo

56

Nấm

60

Vi khuẩn thường
Cổ khuẩn

90
113

Khả năng thích nghi đối với các điều kiện sống cực đoan của cổ khuẩn là cơ sở để giả
thuyết rằng chúng là những sinh vật sống đầu tiên xuất hiện trên trái đất. Trái đất của
chúng ta trong thời kỳ đầu có nhiệt độ rất cao, khoảng 100 °C trở lên, chứa nhiều ammon

và khí methane trong khí quyển, do vậy những dạng sống đầu tiên phải là các sinh vật
yếm khí và ưa nhiệt cao (hyper-thermophiles). Với các đặc điểm sinh lý như tính ưa
nhiệt, sống kỵ khí, sử dụng các chất hữu cơ và vô cơ là nguồn năng lượng, các loài cổ
khuẩn ưa nhiệt cao có lẽ phù hợp với dạng sống nguyên thuỷ mô phỏng theo điều kiện
của trái đất trong thời kỳ đầu. Trong thực tế, chất chỉ thị mạch isoprene-lipid thành phần
màng tế bào của cổ khuẩn được tìm thấy trong các lớp trầm tích có tuổi là 3,8 tỷ năm.
Các nghiên cứu dựa trên trình tự 16S rARN cho thấy cổ khuẩn, đặc biệt là nhóm cổ
khuẩn ưa nhiệt cao, tiến hoá chậm hơn đáng kể so với vi khuẩn và sinh vật nhân thật.
Tuy nhiên tốc độ tiến hoá chậm của cổ khuẩn so với hai lĩnh giới còn lại có thể do môi
trường sống khắc nghiệt của chúng tạo ra. Cho đến nay câu hỏi về nguồn gốc sự sống
và vai trò của cổ khuẩn trong đó vẫn còn đang tiếp tục được tranh luận.
***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***
Hình 3. Một trong những nơi đầu tiên cổ khuẩn được tìm thấy:suối nước nóng trong
công viên Quốc gia Yellowstone (Mỹ).

Phả hệ cổ khuẩn dựa trên trình tự 16S rARN
Dựa trên so sánh trình tự 16S rARN các đại diện cổ khuẩn đã phân lập được chia
thành hai nhóm chính là Euryarchaeota và Crenarchaeota (Hình 4,5). Euryarchaeota
là nhóm cổ khuẩn được biết rõ nhất, bao gồm nhiều loài sinh methane, cổ khuẩn
ưa mặn, khử sulfat (Archaeoglobales), Thermoplasmalates và Thermococcales. Nhóm
Crenarchaeota gồm ba lớp Desulfococcales, Sulfolobales và Thermoproteales. Sau này
nhóm cổ khuẩn Korarchaeota được đề xuất thêm (Hình 6), tuy nhiên chỉ dựa trên các
trình tự 16S rADN có được từ các mẫu ADN tách trực tiếp từ môi trường chứ chưa có
đại diện nào được phân lập và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.

2/5


Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất

Hình 4.

Các đại diện của hai nhóm cổ khuẩn Crenarchaeota và Euryarchaeota.

3/5


Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất

Hình 5. Hình thái một số đại diện của hai nhóm cổ khuẩn Euryarchaeota và
Crenarchaeota

Gần đây (2002), nhóm nghiên cứu của giáo sư Stetter, một trong những nhà nghiên
cứu cổ khuẩn hàng đầu thế giới, công bố sự hiện diện của nhóm cổ khuẩn thứ tư,
Nanoarchaeota, gồm những cổ khuẩn có kích thước rất nhỏ với một đại diện duy nhất
được tìm thấy là Nanoarchaeum equitans (Hình 7). Loài cổ khuẩn này có tế bào hình
cầu, đường kính 400 nm, sống bám trên bề mặt tế bào của một loài cổ khuẩn mới
Ignicoccus sp., phân lập từ mẫu nước nóng ở độ sâu 106 m dưới đáy biển. Đây là một
loài ưa nhiệt cực đoan, phát triển ở nhiệt độ tối ưu 75-98 °C. Nhiều trình tự 16S rARDN
trực tiếp có được từ môi trường có nhiệt độ cao cũng khẳng định sự tồn tại và khác biệt
của nhóm Nanoarchaeota so với các nhóm cổ khuẩn còn lại.

Đa dạng và các nhóm cổ khuẩn đại diện
Xét về các đặc điểm sinh lý, cổ khuẩn có thể phân thành bốn nhóm chính là sinh
methane (methanogens), cổ khuẩn ưa nhiệt cao (hyper-therrmophiles), cổ khuẩn ưa mặn

4/5


Môi trường sống của cổ khuẩn và giả thuyết về hình thành sự sống trên trái đất

(halophiles) và cổ khuẩn ưa acid (acidophiles) thuộc lớp Thermoplasmatales với nhiều
đại diện đã được phân lập và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (Hình 8).

Hình 8. Đại diện các nhóm cổ khuẩn chính

5/5