ArchaeaDefinition, Beispiele, Vs Bacteria, Eigenschaften & Klasse

Definition: Was sind Archaeen?

Archaeen sind einzellige Organismen, die die dritte Domäne der Organismen auf der Erde bilden. Als solche unterscheiden sie sich von den anderen beiden Domänen, zu denen Bakterien und Eukaryota gehören.

Wie Bakterien sind Archaeen jedoch Prokaryoten, die bestimmte Eigenschaften mit Bakterien teilen (dies ist einer der Gründe, warum Archaeen früher als eine Art von Bakterien angesehen wurden).

Dank ihrer Fähigkeit, extreme Bedingungen zu überleben, können sie in einer Vielzahl von Umgebungen gefunden werden, die von Seen und Böden bis hin zum Toten Meer und den tiefsten Teilen des Ozeans (Meeresboden) reichen.

Einige Beispiele sind:

• Aeropyrum pernix
• Thermosphaera aggregans
• Ignisphaera aggregans
• Sulfolobus tokodaii
• Metallosphaera sedula
• Staphylothermus marinus
• Thermoproteus tenax

Beispiele

Basierend auf verschiedenen molekularen und genetischen Zusammensetzungen, wird die Domäne Archaea in fünf (5) Phyla unterteilt, die umfassen:

• Euryarchaeota
• Crenarchaeota
• Korarchaeota
• Thaumarchaeota
• Nanoarchaeota

Phylum Euryarchaeota

Das Phylum Euryarchaeota ist eine der am besten-untersuchten Phyla der Domäne (Archaea). Bestehend aus mehr als 70 Gattungen, sind die Mitglieder des Stammes physiologisch extrem vielfältig mit der Fähigkeit, einige der extremsten Umgebungen auf der ganzen Welt zu überleben.

Nachfolgend sind Merkmale verschiedener Gruppen des Stammes Euryarchaeota aufgeführt:

Euryarchaeotae besteht aus mesophilen, thermophilen und psychrotoleranten Arten, die sich auf acht (8) Klassen verteilen.

Klasse Archaeoglobi – Die Klasse Archaeoglobi setzt sich aus einer einzigen Ordnung (Archaeoglobales) und Familie (Archaeoglobaceae) zusammen. Archaeoglobaceae ist weiter in drei Gattungen unterteilt, die Ferroglobus, Geoglobus und Archaeoglobus umfassen. Wie die Klasse der Thermokokken haben die Mitglieder der Archaeoglobi ein kugelförmiges Aussehen und können daher als kokkoide Morphologie beschrieben werden.

Zu den Hauptmerkmalen dieser Gruppe gehören:

• Sie finden sich in hydrothermalen Schloten (in der Tief-Meer)
• Anaerob
• Sie wachsen gut im marinen Salzgehalt
• Die drei Gattungen des Stammes enthalten Arten, die mixotroph (nutzen verschiedene Energiequellen) und lithoautotroph (gewinnen Energie aus reduzierten Verbindungen) in der Natur vorkommen
• Der maximale Temperaturbereich für Mitglieder dieses Stammes liegt zwischen 83 und 88 Grad Celsius (die maximale Temperatur liegt bei etwa 95 Grad Celsius)

Klasse Protoarchaea – Auch bekannt als Klasse der Thermokokken, Protoarchaea besteht ebenfalls aus einer einzigen Ordnung (Thermococcales) und Familie (Thermococcaceae). Die Familie Thermococcaceae ist weiter unterteilt in die Gattungen Pyrococcus, Thermococcus und Paleococcus.

Mit Ausnahme einiger weniger Arten weisen die meisten Arten dieser Gattungen die folgenden Merkmale auf:

• Anaerobier
• Hyperthermophil (gedeihen in extrem heißen Umgebungen)
• Organotroph
• Wachsen gut in neutralem pH-Wert und marinem Salzgehalt
• Kokkoide Morphologie
• Fähigkeit zur Bewegung
• Gefunden in hydrothermalen Schloten
• Einige Arten sind zur Fermentation fähig
• Sind alle obligat organo-Heterotrophe (sie können Energie/Nahrung aus organischen Verbindungen oder von anderen Organismen beziehen)

Klasse Thermoplasmata – Die Klasse Thermoplasmata besteht aus einer Ordnung (Thermoplasmatales) und drei Familien.

Mitglieder dieser Klasse haben die folgenden Merkmale:

• Extrem acidophil (sie gedeihen unter sauren Bedingungen)
• Aerob (sie benötigen Luft zum Wachstum)
• Kugelige/kokkoide Morphologie
• Die Mehrzahl der Arten sind moderat thermophil (sie wachsen unter moderaten Temperaturen – unter 40°C)
• Einige Arten (z.z.B. Mitglieder der Familie Ferroplasmaceae) können Eisenverbindungen oxidieren, um Energie zu gewinnen
• Sie sind nicht in der Lage zu fermentieren

Klasse Halobakterien – Bestehend aus etwa 30 Gattungen, besteht die Klasse der Halobakterien aus Organismen, die von Natur aus sehr halophil sind. Als solche sind sie in der Lage, in Umgebungen mit hohen Salzkonzentrationen (30 bis 36 Prozent Natriumchlorid) gut zu gedeihen. Aus diesem Grund sind sie in so extremen Umgebungen wie dem Toten Meer zu finden.

Zu den weiteren wichtigen Eigenschaften der Mitglieder dieser Klasse gehören:

• Aerobische Organismen (brauchen Luft zum Wachstum)
• Viele der Arten benötigen auch Magnesiumsalze für ihre Entwicklung
• Die meisten Arten sind pleomorph in ihrer Morphologie, was durch den hohen Mineralgehalt in ihrer Umgebung verursacht wird
• Die Mehrheit der Arten sind Gram-negativ, nur einige wenige sind Gram-variabel
• Mesophil
• Chemo-organotroph. Sie oxidieren die chemischen Bindungen komplexer organischer Verbindungen (Pepton etc.), um Energie zu gewinnen
• Ein Großteil der Arten findet sich in salzhaltigen Umgebungen wie Sodaseen und Meeresquellen, die unter anderem Schwefel und Sulfid enthalten

Methanogene

Methanogene umfassen vier Klassen des Stammes Euryarchaeota, die sich durch ihre Fähigkeit zur Methanbildung auszeichnen. Dazu gehören Methanotherma, Methanobakterien, Methanopyri und Methanomicrobia.

Abgesehen von der Fähigkeit, Methan zu produzieren, sind alle Mitglieder dieser Gruppe obligate Anaerobier, die Kohlendioxid zur Elektronenaufnahme nutzen. Als solche können sie die Anwesenheit von Sauerstoff nicht tolerieren.

Zu den weiteren Merkmalen von Methanogenen gehören:

• Kann im Verdauungssystem von Wiederkäuern gefunden werden (z.Ziegen und Hausyak) – Im Pansen dieser Tiere sind Methanogene am Gärungsprozess beteiligt
• Sind in der Tiefsee und in salzhaltiger Umgebung zu finden (z. B. Mitglieder der Klasse Methanopyri und Methanothermea)
• Variieren in der Morphologie von Kokken und gebogenen Stäbchen bis hin zu langen und kurzen Stäbchen
• Wachsen gut in neutralen (oder leicht alkalischen) Umgebungen)

Phylum Crenarchaeota

Neben dem Phylum Euryarchaeotae ist Phylum Crenarchaeota die andere Gruppe von Organismen, die über die Jahre viel Aufmerksamkeit erhalten hat.

Obwohl dieser Stamm weniger Gattungen als der erstgenannte enthält, besteht er aus einer großen Vielfalt von Organismen, die in verschiedenen Arten von Umgebungen gefunden werden können. Während einige der Arten zum Beispiel im Boden zu finden sind, können andere in Umgebungen mit hohen Temperaturen (Thermophile) gefunden werden.

Im Vergleich zum Stamm Euryarchaeotae wurde bisher nur eine einzige Klasse (Crenarchaeota) des Stammes Crenarchaeota identifiziert.

Crenarchaeota wird weiter in fünf Ordnungen unterteilt, die umfassen:

Ordnung Acidolobales – Mitglieder dieser Ordnung sind acidophil, die Schwefel während der Atmung (als Elektronenakzeptor) nutzen. Sie haben eine kugelförmige Gestalt (Kokken) und umfassen Mitglieder von zwei Hauptfamilien, nämlich Acidilobaceae und Caldispheraceae.

Ordnung Desulfurococcales – Diese Ordnung ist unterteilt in die Familie Pyrodictiaceae und die Familie Desulfurococcaceae. Während einige in ihrer Morphologie Kokken sind (die Mehrheit der Desulfurococcaceae), sind andere stäbchenförmig.

Zu den weiteren Merkmalen der Ordnung Desulfurococcales gehören:

• Einige sind in der Natur obligate Anaerobier (Desulfurococcaceae)
• Schwach acidophile oder neutrophile Organismen, die in einigen marinen Umgebungen zu finden sind (Desulfurococcaceae)
• Einige Mitglieder sind Fermenter
• Einige Mitglieder der Familie Pyrodictiaceae sind thermophil und können extrem hohe Temperaturen überleben
• G+C-Gehalt variiert von einer Gruppe zur anderen

Ordnung Sulfolobales – Die Ordnung Sulfolobales besteht aus einer einzigen Familie (Sulfolobaceae), die wiederum aus hyperthermophilen und acidophilen Organismen besteht, die auf sechs Gattungen verteilt sind.

Die Merkmale der Ordnung Sulfolobaceae variieren von einer Gruppe von Organismen zur anderen. Während zum Beispiel die Gattung Sulfurisphera aus einem Organismus besteht, der strikt organotroph und fakultativ anaerob ist, wurde bei Mitgliedern von Acidianus und Sulfolobus unter anderem ein lithoautotropher und organotropher Stoffwechsel nachgewiesen.

Ordnung Thermoproteales – Diese Ordnung besteht aus zwei Familien (Thermofilaceae und Thermoproteaceae), die die folgenden Merkmale aufweisen:

• Neutrophile oder leicht acidophile Organismen, die in Hochtemperaturumgebungen zu finden sind (Hyperthermophile)
• Rod-geformt
• Einige sind Fermenter (Thermoproteus)
• Einige können auf wasserstoff- und thiosulfathaltigen Verbindungen etc. wachsen
• Organo-Heterotrophe

Ordnung Fervidicoccales – Diese Ordnung besteht aus einer einzigen Familie und Arten, die in heißen Quellen zu finden sind.

Die anderen drei Phyla der Archaea sind nicht vollständig verstanden und man hat sich nicht auf gültige Vertreter geeinigt.

Nachfolgend einige Merkmale der drei Gruppen:

Korarchaeota – Dieses Phylum wurde sowohl in marinen als auch in terrestrischen heißen Umgebungen entdeckt, was darauf hindeutet, dass Mitglieder des Phylums hyperthermophil sind. Um die Vielfalt und Häufigkeit der Gruppe in der Natur zu bestimmen, wurden Studien in verschiedenen Umgebungen und in einer Reihe von Ländern durchgeführt.

Durch diese Studien wurde deutlich, dass Mitglieder des Stammes in Umgebungen wachsen, die zwischen 70 und 97 Grad Celsius in der Temperatur und 2,5 und 6,5 im pH-Wert liegen. Derzeit sind nur sehr wenige Organismen als zu diesem Stamm gehörig identifiziert worden. Ein Beispiel dafür ist der Candidatus Korarchaeum cryptofilum, der aus einer Kultur mit Sedimenten aus dem Obsidian Pool isoliert wurde.

Basierend auf Untersuchungen des Organismus wurden die folgenden Merkmale identifiziert:

• Fähig, Peptide durch Fermentation abzubauen
• Kann keine Co-Faktoren wie Vitamine synthetisieren

Nanoarchaeota – Wie das Phylum Korarchaeota wurde auch vom Phylum Nanoarchaeota bisher nur ein Mitglied (Nanoarchaeum equitans) identifiziert.

N. equitans wächst nachweislich (in einer symbiotischen Beziehung) an der Oberfläche verschiedener Ignicoccus-Arten und weist folgende Merkmale auf:

• Hyperthermophile Organismen
• Können auf heißen Felsen, in marinen Thermalquellen und Quellen gefunden werden
• Sind strikte Anaerobier
• Enthalten eine divergente 16S rDNA-Sequenz
• Fehlen Gene, die für die Synthese von Lipid, Aminosäuren und Nukleotid verantwortlich sind
• Wachsen gut bei hohen Temperaturen (ca. 90 Grad Celsius) und einem pH-Bereich zwischen 2.5 und 3,0

Thaumarchaeota – Im Vergleich zu Korarchaeota und Nanoarchaeota ist Thaumarchaeota besser verstanden, wobei die Gruppe etwa fünf (5%) Prozent aller Prokaryoten in Bodensystemen ausmacht. Sie kommen auch in heißen Quellen und Meeresgewässern vor und bestehen aus Ammoniak-oxidierenden Organismen.

Zu den Hauptmerkmalen der Thaumarchaeota gehören:

• Ein Großteil der Organismen kann unter autotrophen Bedingungen Kohlendioxid fixieren
• Sie oxidieren Ammoniak aerob

Archaeen-Gruppen

Abgesehen von der Phylum-Einteilung der Archaeen, wird der Bereich auch in die folgenden drei Gruppen unterteilt:

Extreme Halophile

Extreme Halophile umfassen eine Vielzahl von Organismen, die in einer Umgebung gedeihen, die hohe Salzkonzentrationen enthält. Es hat sich gezeigt, dass extreme Halophile für ein optimales Wachstum mindestens 1,5 mol l-1 Natriumchlorid benötigen. Während also viele Organismen hohe Salzkonzentrationen tolerieren können, ist eine große Anzahl von ihnen tatsächlich auf solche Bedingungen für ihr Wachstum angewiesen.

Beispiele für extreme Halophile sind:

• Haloadaptus
• Halobaculum
• Methanohalobium

Methanogene

Methanogene zeichnen sich durch die Unfähigkeit aus, Sauerstoff zu tolerieren, sowie durch die Fähigkeit, Methan zu produzieren.

Methangas wird daher unter anaeroben Bedingungen und in Abwesenheit von Ionen wie Eisen(III)-Ionen und Nitraten produziert. In Fällen, in denen Methanogene in anoxischen Böden oder in Umgebungen leben, in denen andere Organismen Sauerstoff produzieren, produzieren sie Methan mit einer hohen Rate, um anoxische Bedingungen herbeizuführen.

Aufgrund ihrer Fähigkeit, Methan zu produzieren, wurden sie in einigen Industrien zur Herstellung des Gases eingesetzt.

Beispiele von Methanogenen sind:

• Methanopyrus kandleri
• Methanocaldococcus
• Methanobrevibacter
• Methanosphera

Hyperthermophile

Hyperthermophile werden auch allgemein als wärmeliebende Prokaryoten bezeichnet. Das liegt daran, dass sie eine Gruppe von Archaeen sind, die in der Lage sind, bei Temperaturen von über 80 Grad Celsius zu wachsen.

Sie sind häufig in Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen zu finden, wie z. B. in heißen sauren Quellen, in geothermischen Kraftwerken sowie in submarinen vulkanischen Lebensräumen und Gebieten mit erhitztem Boden.

Neben hohen Temperaturen haben einige Hyperthermophile auch gezeigt, dass sie extreme Säure in ihrer Umgebung tolerieren. Die Mehrheit, die obligat anaerob ist, wächst jedoch gut in Umgebungen, die entweder neutral oder mild sauer sind.

Beispiele für Hyperthermophile sind:

• Geoglobus
• Archaeoglobus
• Ferroglobus

Hauptmerkmale von Archaea (Vs. Bakterien)

Aufgrund ihrer Vielfalt weisen Archaeen-Zellen eine erhebliche Varianz in der Morphologie auf. Während einige stäbchenförmig sind, wie viele Bakterien, sind andere spiralförmig, scheibenförmig oder kugelförmig. Auf der anderen Seite gibt es einige, die verschiedene unregelmäßige Formen aufweisen.

Obwohl Archaea eine eigenständige Domäne ist, teilt sie eine Reihe von Merkmalen sowohl mit Bakterien als auch mit Eukaryota. Zum Beispiel haben die meisten Archaeen, wie Bakterien, eine Zellwand, die die Osmose reguliert und die Form der Zelle aufrechterhält.

Im Gegensatz zu Bakterien haben Archaeen jedoch kein Peptidoglykan. Stattdessen enthalten sie Pseudopeptidoglykan, das aus N-Acetyltalosamin-Uronsäure (NAT) besteht, während andere eine Zellwand aus Proteinen oder Polysacchariden haben.

Beide (Bakterien und Archaeen) sind auch in der Lage, sich in feuchter oder flüssiger Umgebung fortzubewegen. Ermöglicht wird dies durch das Vorhandensein von Geißeln. Abhängig von der Spezies können Archaeen eine oder mehrere Geißeln besitzen, die es ihnen ermöglichen, sich von einem Punkt zum anderen zu bewegen.

Obwohl beide Geißeln besitzen, die die Fortbewegung ermöglichen, ist das Geißelprotein und die Struktur der Geißeln bei beiden unterschiedlich.

Der andere Unterschied zwischen Archaeen und Bakterien liegt in ihrer Zellmembran. Während beide eine Zellmembran haben, gibt es einen Unterschied darin, wie verschiedene Komponenten der Zellmembran in Archaeen angeordnet sind. Zum Beispiel sind bei Archaeen die Schwänze des hydrophoben Lipids durch Etherbindungen an das Glycerin gebunden. Dies unterscheidet sich von den Esterbindungen, die in Bakterien und Eukaryoten vorhanden sind.

Da sowohl Bakterien als auch Archaeen Prokaryoten sind, besteht die Chromosomenregion aus Körpern, die als Nukleoide bezeichnet werden. Im Vergleich zu Eukaryoten fehlt diesen diffusen Massen eine Membranhülle und sie befinden sich daher als DNA-Aggregate im Zytoplasma.

Beide Bacteria und Archaea enthalten auch Plasmide (kleine DNA-Moleküle). Diese extrachromosomalen DNA-Moleküle haben typischerweise eine kreisförmige Form und enthalten etwa 5 bis 100 Gene.

* Wie Eukaryoten haben auch Bakterien und Archaeen ein Zytoskelett, das die Zellteilung reguliert.

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Elena V. Pikuta. (2014). Overview of Archaea. ResearchGate.

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