Prokariote predstavljaju najstarije i najrasprostranjenije oblike života na našoj planeti, a njihova sposobnost da opstanu u gotovo svim uslovima čini ih jednim od ključnih pokretača Zemljinih bioloških procesa. Ovu ogromnu grupu čine bakterije i arheje, organizmi koji nemaju jedro i čije je genetičko nasleđe smešteno direktno u citoplazmi. Prokariote karakteriše jednostavna unutrašnja struktura, izuzetno brza reprodukcija i neverovatna raznolikost metaboličkih strategija koje im omogućavaju da prežive tamo gde bi sve druge forme života nestale — u vrelim izvorima, slanim jezerima, ledenim morima, pa čak i unutar vulkanskih fumarola. Zbog svoje starosti i otpornosti, prokariote predstavljaju važan izvor informacija o tome kako je život nastao, kako se menjao i kako danas utiče na ekosisteme širom sveta. Njihovo prisustvo potvrđeno je u svim delovima planete — od dubina okeana do najviših planina, u okruženjima koja postoje više od tri milijarde godina.
Od prvih ćelija do savremenih prokariota: kako je sve počelo
Najraniji fosili koji se sa priličnom sigurnošću pripisuju prokariotima stari su oko 3,5 milijardi godina, što ih čini najstarijim poznatim tragom života na Zemlji. U vremenu kada atmosfera nije sadržala kiseonik, ovi mikroorganizmi razvili su metaboličke puteve zasnovane na hemijskim reakcijama umesto na fotosintezi. Takvi putevi nazivaju se hemosinteza, pri čemu organizam stvara energiju korišćenjem neorganskih molekula kao što su sumpor ili gvožđe. Ovaj proces je ključan jer pokazuje da život nije morao nastati u okruženju s mnogo svetlosti, već verovatno u hidrotermalnim izvorima na dnu praokeana.
Vremenom su se pojavile i prokariote sposobne za fotosintezu, među kojima su najvažnije cijanobakterije. One su bile među prvima koje su počele da proizvode kiseonik kao nusprodukt, postepeno menjajući sastav atmosfere. Ovaj događaj poznat je kao Veliki oksidacioni događaj, koji se odigrao pre oko 2,4 milijarde godina i doveo do stvaranja atmosfere kakvu poznajemo danas. Taj istorijski trenutak otvorio je vrata nastanku aerobnih organizama — uključujući i naše sopstvene evolutivne pretke.
Da li znate?
Cijanobakterije su napravile prvi „globalni ekološki inženjering“ u istoriji, stvarajući uslove za život kakav danas poznajemo. Bez njih, kompleksni organizmi verovatno nikada ne bi nastali.
Prokariotska evolucija nije se zaustavila sa stvaranjem kiseonične atmosfere. Naprotiv, ovi organizmi nastavili su da se prilagođavaju i zauzimaju nove ekološke niše. Njihova jednostavna struktura omogućava brzu evoluciju: male mutacije mogu se veoma brzo proširiti populacijom zbog kratkog generacijskog vremena, termina koji označava koliko je vremena potrebno da se jedna ćelija podeli na dve nove.
Struktura prokariota: jednostavnost koja postiže neverovatnu efikasnost
U poređenju sa eukariotskim ćelijama — onima koje imaju jedro i složene unutrašnje organele — prokariote deluju jednostavno, ali upravo u toj jednostavnosti krije se njihova izuzetna izdržljivost. Prokariotska ćelija sastoji se od tri glavna elementa: citoplazme, plazma membrane i genetičkog materijala koji se najčešće nalazi u kružnom obliku nazvanom nukleoid. Nukleoid nije odvojen membranom, što znači da se sve genetičke informacije nalaze direktno u unutrašnjosti ćelije. Ovo drastično ubrzava procese kopiranja i sinteze proteina.
Prokariote često poseduju plazmide — male kružne fragmente DNK koji nose korisne gene, na primer za otpornost na antibiotike. Plazmidi mogu prelaziti sa jedne ćelije na drugu procesom koji se naziva konjugacija, tokom koga dve ćelije ostvaruju privremenu fizičku vezu i razmenjuju genetičke informacije. Ovaj proces je važan jer pokazuje da prokarioti nemaju samo „vertikalni“ način prenosa genetičkog materijala (sa roditelja na potomstvo), već i horizontalni prenos, što je izuzetno retko među kompleksnijim organizmima.
Da li znate?
Horizontalni prenos gena mogao bi delimično objasniti zašto se otpornost na antibiotike širi brže nego što nastaju novi lekovi — bakterije međusobno „dele“ gene koji im pružaju prednost.
Još jedna važna struktura je ćelijski zid, koji pruža čvrstinu i štiti ćeliju od promene pritiska. Kod bakterija se ćelijski zid sastoji od peptidoglikana, supstance koja je čest cilj antibiotika, dok arheje imaju drugačiji sastav zida, što je jedan od razloga zašto su često otpornije na ekstremne uslove.
Bakterije i arheje: dve velike grupe prokariota i njihove razlike
Iako na prvi pogled deluju identično, prokariote se dele na dve fundamentalno različite grupe: bakterije i arheje. Ova podela u nauci postoji tek od 1977. godine, kada je Karl Vuze (Carl Woese) otkrio da arheje imaju jedinstvene molekularne osobine koje ih čine potpuno zasebnom domenom života.
Bakterije su mnogo poznatije jer se svakodnevno sreću u prirodi, hrani, tlu, pa i našem telu. Njihova raznovrsnost je ogromna: od korisnih bakterija koje učestvuju u varenju hrane, do patogenih vrsta koje izazivaju bolesti. Za razliku od njih, arheje se najčešće povezuju sa ekstremnim okruženjima — gejzirima, slanim jezerima i hidrotermalnim izvorima. Ovakva okruženja nazivaju se ekstremofilska, a arheje koje ih naseljavaju nazivaju se ekstremofili.
Razlike između bakterija i arheja nisu samo u mestu života. Njihove ćelijske membrane sagrađene su od potpuno različitih lipida. Arheje imaju membrane koje su stabilnije na visokim temperaturama, što objašnjava njihovu prisutnost u vrelim izvorima. Osim toga, enzimi arheja rade optimalno u uslovima koji bi bili smrtonosni za većinu organizama — na temperaturama većim od 100 °C ili u sredinama sa skoro zasićenom koncentracijom soli.
Da li znate?
Neke vrste arheja preživljavaju u uslovima koji imitiraju površinu Marsa, pa se proučavaju u astrobiologiji kao modeli za potencijalni život na drugim planetama.
Ekološka uloga prokariota: zašto su nezamenljivi danas kao i pre milijardi godina?
Prokariote imaju ogromnu ulogu u održavanju života na Zemlji. Oni razlažu organske materije, recikliraju hranljive elemente, proizvode kiseonik i utiču na klimatske procese. Na primer, određene bakterije učestvuju u fiksaciji azota — procesu u kome se gasoviti azot iz atmosfere pretvara u oblik koji biljke mogu koristiti kao hranu. Bez ovih bakterija, biljke ne bi mogle da rastu u meri koja omogućava stabilne ekosisteme.
Prokariote takođe učestvuju u bioremedijaciji, prirodnom procesu razgradnje štetnih materija kao što su naftne mrlje ili industrijski otpadi. Njihovi metabolički putevi toliko su raznovrsni da mogu koristiti gotovo svu organsku materiju kao izvor energije. Ovaj proces je od ogromnog značaja za ljudsku civilizaciju jer omogućava obnovu zagađenih ekosistema i smanjuje uticaj industrijskih nesreća.
Prokariote imaju i ključnu ulogu u ljudskom zdravlju. U našem organizmu nalazi se oko 39 triliona bakterijskih ćelija, što je čak i više od broja naših sopstvenih ćelija. One učestvuju u varenju, štite nas od patogena i utiču na rad imunog sistema. Kada se naruši njihov balans, mogu nastati brojni zdravstveni problemi, poput upalnih bolesti ili poremećaja metabolizma.
Da li znate?
Procenjuje se da 90% svih vrsta prokariota još uvek nije otkriveno, što znači da većina mikrosveta ostaje nepoznata čak i savremenoj nauci.
Zašto su prokariote važne za budućnost nauke i tehnologije?
Interesovanje naučnika za prokariote ne prestaje, jer njihov neverovatan metabolički i genetički potencijal predstavlja ogromnu priliku za tehnološki napredak. Danas se koriste u proizvodnji antibiotika, vakcina, hrane i biogoriva. Genetička tehnologija zasnovana na sistemu CRISPR-Cas9, koja je revolucionisala biologiju, upravo je otkrivena u bakterijama koje koriste ovaj sistem kao deo svog imunog odgovora na viruse.
Biotehnologija sve više proučava prokariote koji žive u ekstremnim uslovima, jer njihovi enzimi mogu raditi i tamo gde obični enzimi prestaju — na primer u industrijskim reaktorima sa visokim temperaturama. Ovo otvara mogućnosti za efikasnije i ekološki prihvatljivije metode proizvodnje energije, hrane i lekova.
Prokariote kroz vreme: nevidljivi arhitekti planete
Iako su mikroskopske, prokariote su pokretači najvećih planetarnih promena — od stvaranja atmosfere bogate kiseonikom do regulacije ciklusa ugljenika i azota. Njihova jednostavnost omogućila im je da budu prvi organizmi na Zemlji, ali i da ostanu među najuspešnijima do danas. U svetu koji se neprestano menja, prokariote ostaju konstantna sila, pokazujući da je život počeo jednostavno, ali nikada nije bio jednostavan.
foto: wikimedia, autor: Original author is LadyofHats. Jovanvb has made translation, licenca: public domain
