Эволюция микробов

Подчиняется общим закономерностям эволюции органического мира, впервые разработанным Чарльзом Дарвином и развитым авторами современной синтетической теории эволюции. Главная особенность эволюции микробов заключается в том, что они возникли в то время, когда других органических форм на Земле ещё не существовало.

Прямые находки ископаемых микробов относят к периоду 3,6 — 3,8 × 10⁹ лет назад. Многоклеточные организмы появились спустя 3 миллиарда лет. Предполагается, что за эти 3 миллиарда лет на модели микроорганизмов были «отработаны» главные условия существования и развития органических форм материи:

По современным представлениям, микробы сыграли ведущую роль в переходе Земли из восстановительного состояния в окислительное, в формировании первичных экосистем и биосферы в целом, а также механизмов поддержания местного и глобального экологического баланса.

Исследования показывают, что эволюция микробов подчиняется тем же законам, которые действуют в эволюции других организмов, на них влияют те же эволюционные факторы: мутация, скрещивание, изоляция, мутационные и эпигенетические ограничения и отбор.

В то же время темпы эволюции многих микроорганизмов выше, примером чего являются вирус гриппа А, ВИЧ (вирус СПИДа) и больничные эковары бактерий. Эта особенность связана с:

Одновременно выраженная способность к фенотипической адаптации и переходу в стадию покоя на очень длительное время, большие ареалы и численность популяций, высокие возможности к миграции на глобальном уровне оказывают консервативное влияние на эволюцию микробов. В некоторых биотопах биосферы существуют виды бактерий, образовавшиеся более 2 × 10⁹ лет назад.

Основные пути эволюции микробов

Предполагается, что первичными микроорганизмами были формы, подобные современным микоплазмам, имеющие минимум структур, необходимых для жизни: носитель генетической информации, полупроницаемую мембрану и цитоплазму с набором рибосом, ферментов и метаболитов.

Морфологическая эволюция шла по пути совершенствования оболочек, ядерного аппарата и органоидов. Так постепенно возникали прокариотические бактерии, эукариотические грибы и протисты (протозоа).

Метаболическая эволюция, вероятно, началась с анаэробных гетеротрофов, которые дали две метаболические ветви:

  1. Факультативно-анаэробных и аэробных гетеротрофов.
  2. Фото- и хемосинтезирующих автотрофов.

Все перечисленные морфологические и метаболические формы образовались уже к 1,0 — 1,5 × 10⁹ лет назад и широко представлены в современном органическом мире.

Экологическая эволюция шла по пути установления отношений с вновь возникающими органическими формами и адаптации к обитанию в новых средах, особенно в живых организмах и их мёртвых остатках. Так появились сапрофиты, эпифиты, тканевые, внутриклеточные и внутригеномные паразиты.

Современный контекст и влияние антропогенных факторов

Эволюция микробов, как и других органических форм, шла периодами замедления и ускорения. Имеются основания утверждать, что XX век, особенно его вторая половина, является периодом ускоренной эволюции как свободноживущих, так и паразитических видов микроорганизмов. Это ускорение связано с влиянием антропогенных факторов научно-технической революции (НТР).

  • Массовые выбросы токсических отходов производств в окружающую среду угнетают деятельность азотфиксирующих, аммонифицирующих, нитрифицирующих и других групп микробов, играющих ключевую роль в поддержании экологического баланса экосистем и биосферы.
  • Многообразные изменения отмечены у патогенных и симбионтных (сингенных) для человека микробов и вызываемых ими болезней. За последние 20 лет выявлено около 30 новых инфекционных агентов.
  • Возросли удельный вес и количество вирусных, хронических, смешанных, вторичных, внутрибольничных инфекций.
  • Резко увеличились число и тяжесть заболеваний, вызванных условно-патогенными микробами.
  • Приобретают эпидемический характер ранее спорадические болезни.
  • Произошло расширение ареала микробов как внутри хозяина, так и числа поражаемых видов и территорий, на которых они обитают.
  • Широкое распространение получили варианты, устойчивые к химиопрепаратам, антисептикам и дезинфектантам.

Современный контекст

Современные исследования в области геномики и метагеномики значительно углубили понимание эволюции микробов. Установлено, что горизонтальный перенос генов (ГПГ) играет колоссальную роль в эволюции прокариот и некоторых эукариот, часто являясь более значимым фактором изменчивости, чем точечные мутации. Это позволяет микробным сообществам быстро приобретать новые функции, такие как устойчивость к антибиотикам или способность утилизировать новые субстраты.

Классическое древо жизни, основанное в основном на анализе гена 16S рРНК, было существенно пересмотрено. Открытие архей и последующие исследования показали, что прокариотический мир гораздо разнообразнее, а эукариоты, вероятно, возникли в результате эндосимбиоза между археей и бактерией (гипотеза эукариогенеза через слияние).

Антропогенное давление (загрязнение окружающей среды, широкое применение антибиотиков, изменение климата) продолжает выступать мощным драйвером микроэволюции, приводя к появлению супербактерий с множественной лекарственной устойчивостью и изменению структуры микробных сообществ в критически важных экосистемах, таких как почва и океан.