Cổ khuẩn

Cổ khuẩn
Thời điểm hóa thạch: Đại Tiền Thái cổ - nay 3400–0 Ma Had'n Archean Proterozoic Pha.
Sự đa dạng của các loài Archaea.
Phân loại khoa học
Liên vực (superdomain)	Neomura
Vực (domain)	Archaea Woese, Kandler & Wheelis, 1990
Các ngành
Crenarchaeota Euryarchaeota Korarchaeota Nanoarchaeota Thaumarchaeota

Cổ khuẩn hoặc Vi sinh vật cổ (danh pháp khoa học: Archaea) là một nhóm các vi sinh vật đơn bào nhân sơ. Chúng không có nhân tế bào hay bất cứ bào quan nào trong tế bào chất. Trong quá khứ, chúng được xem như một nhóm vi khuẩn khác biệt và được gọi là vi khuẩn cổ (danh pháp khoa học: Archaebacteria), nhưng do có lịch sử tiến hóa độc lập và nhiều bất đồng về sinh hóa với các dạng khác của sự sống, chúng hiện được phân thành một vực (domain) riêng trong hệ thống ba vực. Ba vực này là ba nhánh phát sinh chủng loại riêng biệt tiến hóa từ nguồn gốc chung, bao gồm Vi khuẩn (Bacteria), Vi khuẩn cổ và Sinh vật nhân chuẩn (Eukarya). Vi khuẩn cổ lại chia làm bốn ngành đã được công nhận, dù có thể tồn tại nhiều ngành hơn trong thực tế. Crenarchaeota và Euryarchaeota là các nhóm vi khuẩn cổ được nghiên cứu nhiều nhất. Việc phân loại vi khuẩn cổ vẫn gặp nhiều khó khăn, khi phần lớn chúng chưa từng được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và chỉ mới được phát hiện thông qua phân tích acid nucleic ở các mẫu lấy từ môi trường. Dù trước đây nhóm vi khuẩn cổ được gộp với nhóm vi khuẩn để thành sinh vật nhân sơ (prokaryote) (hay giới Monera), thì sự phân loại này giờ đã trở nên lỗi thời.

Vi khuẩn và vi khuẩn cổ khá tương đồng về hình dạng và kích thước, dù một vài vi khuẩn cổ có hình dạng bất thường, như tế bào dạng phẳng và vuông của Haloquadra walsbyi. Mặc dù nhìn tương đồng với vi khuẩn, vi khuẩn cổ vẫn mang bộ gen và một số con đường trao đổi chất gần với sinh vật nhân chuẩn hơn: đặc biệt các enzyme liên quan tới quá trình phiên mã và dịch mã. Các đặc tính sinh hóa khác của Archea là độc nhất vô nhị, như vai trò của các ether lipid trong màng tế bào của chúng. Vi khuẩn cổ khai thác các nguồn năng lượng đa dạng hơn nhiều so với sinh vật nhân chuẩn: từ các hợp chất hữu cơ quen thuộc như đường, tới sử dụng amonia, ion kim loại hay thậm chí cả khí hydro làm chất dinh dưỡng. Vi khuẩn cổ ưa muối (Halobacteria) sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng và các loài vi khuẩn cổ khác có thể cố định cacbon; tuy nhiên không giống thực vật và vi khuẩn lam, không một loài vi khuẩn cổ nào có thể thực hiện cả hai việc trên. Vi khuẩn cổ sinh sản vô tính và phân chia nhờ các hình thức phân đôi, phân mảnh hoặc nảy chồi; trái với vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn, không có loài nào của vi khuẩn cổ có bào tử.

Ban đầu, vi khuẩn cổ được biết như là những sinh vật ưa sống ở những môi trường khắc nghiệt, như suối nước nóng hay hồ mặn, nhưng sau đó chúng được tìm thấy ở nhiều môi trường khác nhau, bao gồm cả đất, các vùng lầy, và đặc biệt tập trung cao ở các đại dương. Các vi khuẩn cổ trong cộng đồng sinh vật phù du có thể là một trong những nhóm các sinh vật có số lượng đông đảo nhất trên Trái Đất. Vi khuẩn cổ hiện nay được ghi nhận như một phần quan trọng của sự sống trên hành tinh và có thể đóng vai trò ở cả chu trình cacbon lẫn chu trình nitơ. Không có ví dụ rõ ràng về các mầm bệnh hay ký sinh là vi khuẩn cổ được biết đến, chúng thường là những sinh vật hỗ sinh hoặc hội sinh. Một ví dụ là các loài sinh methan cư trú trong ruột người và động vật nhai lại, có số lượng lớn trợ giúp tốt cho tiêu hóa. Các vi khuẩn cổ sinh methan thường được ứng dụng trong sản xuất biogas và xử lý nước thải, và các enzyme từ các vi khuẩn cổ sống nơi khắc nghiệt, có thể chịu được nhiệt độ cao và các dung môi hữu cơ, được khai thác trong ngành công nghệ sinh học.

Phân loại

Một vực mới

Đầu thế kỷ 20, những sinh vật nhân sơ được công nhận như một nhóm sinh vật riêng lẻ và được phân loại dựa vào đặc điểm sinh hóa, hình thái và trao đổi chất. Ví dụ, các nhà vi sinh học đã cố gắng phân loại các vi sinh vật dựa trên cấu trúc của thành tế bào, hình dạng, và hợp chất chúng tiêu thụ. Tuy nhiên, một phương pháp được đề ra vào năm 1965, sử dụng trình tự gen ở những sinh vật này để tìm ra những sinh vật nhân sơ nào thực sự liên hệ với nhau. Phương pháp này, gọi là phát sinh chủng loại (phylogenetics), là phương pháp chính được sử dụng cho đến ngày nay.

Năm 1977, Archaea lần đầu được phân loại như một nhóm riêng biệt trong sinh vật nhân sơ bởi Carl Woese và George E. Fox trong cây phát sinh chủng loại dựa trên trình tự gen của RNA ribosome (rRNA). Hai nhóm trên lúc đầu được đặt tên là Vi khuẩn cổ (Archaebacteria) và vi khuẩn thực (Eubacteria), và được xếp thành các giới (Kingdom) hoặc phân giới (Subkingdom), do Woese và Fox đặt tên là Urkingdoms. Woese cho rằng nhóm sinh vật nhân sơ này là một phần khác mang tính cơ bản của sự sống. Để nhấn mạnh sự khác biệt này, hai nhóm sau đó được đổi tên thành Archaea và Bacteria. Từ archaea xuất phát từ tiếng Hy Lạp cổ ἀρχαῖα, mang nghĩa "cổ đại".

Ban đầu, chỉ có những vi khuẩn cổ sinh methan được đặt vào vực mới này, và vi khuẩn cổ được xem như những sinh vật chỉ sống ở các môi trường sống khắc nghiệt như suối nước nóng hay hồ mặn. Cuối thế kỷ 20, các nhà vi sinh vật đã nhận ra rằng vi khuẩn cổ là một nhóm sinh vật rộng lớn, đa dạng và phổ biến rộng rãi trong tự nhiên, ở cả những môi trường ít cực đoan hơn như đất và đại dương. Sự đánh giá cao tầm quan trọng và tính phổ biến của Archea đến từ việc sử dụng phản ứng chuỗi trùng hợp để xác định các sinh vật nhân sơ trong các mẫu nước hoặc đất với axít nucleic đơn lẻ. Việc này cho phép khám phá và nhận dạng các sinh vật mà không thể nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, điều nhìn chung vẫn còn khó khăn.

Sự phân loại hiện nay

Phân loại vi khuẩn cổ nói riêng và sinh vật nhân sơ nói chung, là một lĩnh vực thay đổi nhanh chóng và nhiều tranh cãi. Hệ thống phân loại hiện hành định phân Archaea thành các nhóm có cùng các đặc điểm cấu trúc và chung tổ tiên. Sự phân loại này dựa nhiều vào việc sử dụng kết quả trình tự rRNA để làm rõ mối quan hệ giữa các sinh vật (phát sinh chủng loại phân tử). Hầu hết các loài dễ nuôi cấy và nghiên cứu đều nằm trong hai ngành chính, Euryarchaeota và Crenarchaeota. Các nhóm khác chỉ mới tạm thời được tạo ra. Một ví dụ như loài lạ thường Nanoarchaeum equitans, được tìm ra năm 2003, đã được đặt vào ngành riêng của chính nó, ngành Nanoarchaeota. Một ngành mới, Korarchaeota, cũng được đề xuất. Nó gồm một nhóm nhỏ các loài ưa nóng bất thường mang những đặc tính giống hai ngành chính, nhưng có quan hệ gần hơn hết với Crenarchaeota. Một số loài mới phát hiện khác lại chỉ có mối quan hệ xa với các ngành trên, như các vi sinh vật nano ARMAN, được tìm thấy năm 2006 và là một vài trong số những sinh vật nhỏ nhất được con người biết đến.

Phân loại thành các loài

Việc phân loại vi khuẩn cổ thành các loài là một vấn đề còn gây tranh cãi. Sinh học xác định một loài như một nhóm các cá thể có liên quan đến nhau. Tiêu chí "giao phối" quen thuộc và độc nhất (các cá thể có thể giao phối với nhau và tạo ra thế hệ con nhưng không giao phối với các cá thể khác), không hữu dụng vì vi khuẩn cổ sinh sản vô tính.

Vi khuẩn cổ cho thấy mức độ chuyển gen ngang cao giữa các thế hệ. Một vài nhà nghiên cứu đề xuất rằng các cá thể có thể nhóm lại thành những quần thể giống như loài, tạo nên bộ gen có sự tương đồng cao và có sự chuyển gen không thường xuyên với các tế bào có bộ gen ít liên quan, như ở chi Ferroplasma. Mặt khác, các nghiên cứu về Halorubrum cho thấy sự chuyển gen đáng kể với các quần thể ít liên quan, làm hạn chế khả năng ứng dụng của tiêu chí này. Một mối quan tâm khác là ý nghĩa thực tiễn của việc định dạng loài này đến đâu.

Những hiểu biết hiện tại về tính đa dạng di truyền còn rời rạc và tổng số các loài vi khuẩn cổ vẫn không thể được ước tính với bất kì độ chính xác nào. Ước tính số các ngành khoảng từ 18 đến 23, trong đó mới chỉ có 8 có đại diện được nuôi cấy và nghiên cứu trực tiếp. Nhiều trong số các nhóm được đưa giả thuyết lại là từ một chuỗi rRNA đơn lẻ, cho thấy tính đa dạng của các sinh vật này thì vẫn còn là một câu hỏi chưa được trả lời. Nhóm vi khuẩn cũng chứa nhiều vi sinh vật chưa được nuôi cấy với những mô tả đặc tính tương tự. chúng có thể được xuất phát từ 1 vật có nguồn gốc không gian rơi vào Trái Đất thời kì sơ khai.

Nguồn gốc và tiến hóa

Dù các hóa thạch tế bào sinh vật nhân sơ có thể có niên đại gần 3,5 tỷ năm về trước, thì hầu hết sinh vật nhân sơ đều không có đặc điểm hình thái đặc trưng và hình dạng hóa thạch không thể được sử dụng để xác định chúng là Archaea. Thay vào đó, hóa thạch hóa học của các lipid đặc trưng lại có ý nghĩa bởi những hợp chất này không xuất hiện ở các sinh vật khác. Một số tư liệu xuất bản nêu ra rằng lipid của vi khuẩn cổ hay sinh vật nhân chuẩn còn hiện diện ở các đá phiến sét có niên đại vào 2,7 tỷ năm về trước; nhưng những dữ liệu này vẫn còn là nghi vấn. Một số lipid được phát hiện ở trong các mẫu vật từ thời Tiền Cambri. Những dấu hiệu cổ nhất ở vùng Isua, Tây Greenland, nơi lưu giữ các trầm tích cổ xưa nhất trên Trái Đất, được hình thành vào 3,8 tỷ năm trước. Thế hệ Archaea này có thể là thế hệ sơ khai nhất xuất hiện trên Trái Đất.

Woese phát biểu rằng vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn là những dòng giống riêng biệt được rẽ nhánh khởi đầu từ một tập hợp các cá thể tổ tiên sơ khai. Tuy nhiên vài nhà sinh học lại cho rằng vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn được rẽ ra từ một nhóm vi khuẩn. Có thể tổ tiên chung cuối cùng của vi khuẩn và vi khuẩn cổ là một sinh vật ưa nhiệt, điều này gia tăng khả năng rằng nhiệt độ thấp hơn là những "môi trường cực đoan" đối với vi khuẩn cổ, và các cá thể sống trong môi trường lạnh hơn chỉ xuất hiện sau đó. Khi người ta thấy rằng mối liên hệ giữa vi khuẩn cổ với vi khuẩn còn kém gần gũi hơn cả giữa chúng với sinh vật nhân chuẩn, thuật ngữ prokaryote (sinh vật nhân sơ) chỉ còn mang nghĩa duy nhất là "không phải nhân chuẩn", giới hạn lại ý nghĩa của từ này.

Vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn

Mối quan hệ giữa vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn vẫn còn là vấn đề cần tranh luận. Bên cạnh những tương đồng về cấu trúc tế bào và chức năng mà được đưa ra dưới đây, nhiều cây di truyền đã tách biệt hai nhóm.

Những tuyên bố rằng mối quan hệ giữa sinh vật nhân chuẩn và ngành vi khuẩn cổ Euryarchaeota gần hơn mối quan hệ giữa hai ngành Euryarchaeota và Crenarchaeota; và sự hiện diện của các gen giống vi khuẩn cổ ở trong các loài chắc chắn là vi khuẩn, như Thermotoga maritima, tạo nên do sự chuyển gen ngang; tất cả tạo nên sự phức tạp của vấn đề. Một giả thuyết chủ đạo đó là tổ tiên của sinh vật nhân chuẩn tách ra ban đầu từ vi khuẩn cổ, và các sinh vật nhân chuẩn đi ra từ sự kết hợp của một vi khuẩn cổ và một vi khuẩn thật, trở thành nhân và tế bào chất; điều này giải thích cho nhiều sự tương đồng về di truyền nhưng lại gặp khó khăn khi giải thích về cấu trúc tế bào.

Hình thái

Các cá thể vi khuẩn cổ có kích cỡ đường kính từ 0,1 micromet (μm) tới hơn 15 μm, tồn tại ở nhiều hình dạng khác nhau, phổ biến là hình cầu, hình que, hình xoắn và hình đĩa. Các hình thái khác trong ngành Crenarchaeota bao gồm các tế bào có thùy với hình dạng bất thường như Sulfolobus, các tơ hình kim có đường kính nhỏ hơn nửa micromet như ở Thermofilum, và tế bào hình que chữ nhật gần như hoàn hảo ở Thermoproteus và Pyrobaculum.Haloquadra walsbyi là các vi khuẩn cổ có hình vuông, phẳng sống ở các thủy vực có độ mặn rất cao. Những hình dạng không bình thường này có thể là được duy trì cố định bởi thành tế bào và bộ khung tế bào. Những protein có liên quan tới các thành phần của bộ khung tế bào của những sinh vật khác cũng xuất hiện ở vi khuẩn cổ, và có các cấu trúc dạng sợi nằm bên trong tế bào của chúng; tuy nhiên trái ngược với các sinh vật khác, cấu trúc tế bào của vi khuẩn cổ mới chỉ được hiểu rất ít ỏi. Ở Thermoplasma và Ferroplasma, việc thiếu đi thành tế bào có nghĩa là chúng không có hình dạng tế bào cố định, và có thể biến đổi giống như trùng amip.

Một vài loài có thể tập hợp hoặc tạo các thể sợi của các tế bào với độ dài lên tới 200 μm. Những tế bào này có thể trở nên nổi bật trong các biofilm. Đặc biệt, tập hợp các tế bào Thermococcus coalescens có thể hợp lại với nhau khi nuôi cấy, tạo thành những tế bào khổng lồ riêng lẻ. Các cá thể thuộc chi Pyrodictium lại tạo một tập đoàn đa bào phức tạp, gồm hệ thống các ống dài, mỏng và rỗng gọi là cannulae nằm ngoài bề mặt tế bào và gắn kết chúng tạo nên một khối đông đúc rậm rạp. Chức năng của các cannulae vẫn chưa được rõ ràng, nhưng có thể chúng giúp sự truyền thông tin hoặc trao đổi dinh dưỡng giữa các tế bào gần nhau. Có sự tồn tại của những tập đoàn đa loài, như cộng đồng "chuỗi ngọc trai" được phát hiện năm 2001 trong một đầm lầy ở Đức. Những tập đoàn hình tròn và màu trắng của một loài thuộc ngành Euryarchaeota chưa biết đến được đặt cách đều nhau dọc theo những sợi mỏng mà có thể kéo dài lên 15 centimet (5,9 in); những sợi tơ này được tạo bởi một loài vi khuẩn đặc biệt.

Cấu tạo và hoạt động

Vi khuẩn cổ và vi khuẩn nhìn chung có cấu trúc tế bào tương tự nhau, nhưng hoạt động và thành phần cấu tạo lại riêng biệt. Giống vi khuẩn, vi khuẩn cổ thiếu hệ thống màng bên trong và các bào quan. Màng tế bào của vi khuẩn cổ cũng thường gắn với thành tế bào và chúng cũng di chuyển sử dụng một hoặc nhiều tiên mao. Về cấu trúc, vi khuẩn cổ gần giống với vi khuẩn gram dương nhất. Hầu hết chúng đều có một lớp màng sinh chất đơn lẻ và có thành tế bào, thiếu đi vùng ngoại vi bào chất; một ngoại lệ là Ignicoccus, có một vùng chất bào lớn đặc biệt mà chứa các túi mang gắn với màng tế bào và bao bọc bởi một lớp màng ngoài.

Màng tế bào

Màng tế bào vi khuẩn cổ được tạo thành bởi những phân tử mà khác biệt rất lớn với các dạng sự sống khác, cho thấy vi khuẩn cổ có mối liên hệ xa xôi với vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn. Màng tế bào của tất cả cá thể đều được tạo thành từ những phân tử phospholipid. Những phân tử này đều chứa một phần phân cực mà có thể hòa tan trong nước (đầu phosphate), và một phần chất béo không phân cực và không hòa tan (đuôi lipid). Hai phần bất đồng được liên kết thông qua một nhóm glycerol. Trong nước, bó các phospholipid có phần đầu hướng về nước và đuôi quay ngược lại. Cấu trúc chính của màng tế bào là lớp đôi các phospholipid, gọi là lớp lipid kép.

Những phospholipid này của vi khuẩn cổ khác thường về bốn mặt:

• Vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn có màng được tạo chủ yếu bởi glycerol-ester lipid, trong khi màng tế bào vi khuẩn cổ lại được tạo bởi glycerol-ether lipid. Sự khác biệt đó là về loại liên kết giữa lipid với nhóm glycerol (màu vàng trong hình bên). Ở ester lipid, đây là một liên kết ester, trong khi ở ether lipid thì là liên kết ether. Các liên kết ether bền hơn về hóa học so với liên kết ester. Sự ổn định này giúp vi khuẩn cổ sinh tồn được ở những môi trường có nhiệt độ cực đoan, rất axít hoặc rất kiềm. Vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn cũng chứa một số ether lipid, nhưng trái với vi khuẩn cổ là những lipid này không phải phần chính trong màng tế bào của các loài này.
• Hóa học lập thể của nhóm glycerol thì đảo nghịch với nhóm tìm thấy ở các loài khác. Nhóm glycerol có thể xuất hiện ở cả hai dạng giống như những hình ảnh ngược nhau qua gương, gọi là dạng bàn tay trái và bàn tay phải; trong hóa học gọi là các enantiomer (chất đối hình). Giống như bàn tay trái không thể vừa vặn với chiếc găng tay cho bàn tay phải, một glycerol bàn tay phải nhìn chung không thể sử dụng với các enzyme vốn thích nghi với dạng tay trái. Điều này dẫn đến giả thuyết rằng vi khuẩn cổ sử dụng những enzyme hoàn toàn khác biệt cho việc tổng hợp phospholipid so với vi khuẩn vá sinh vật nhân chuẩn. Những enzyme này phát triển rất sớm trong lịch sử sự sống, cho thấy sự tách ra rất sớm của vi khuẩn cổ so với hai vực trên.
• Đuôi lipid của vi khuẩn cổ cũng khác biệt về hóa học với các sinh vật khác. Lipid của vi khuẩn cổ chủ yếu dựa trên chuỗi bên isoprene và là những chuỗi dài với nhiều nhánh bên và đôi khi có cả những vòng cyclopropane hay cyclohexane. Điều này tương phản với những axít béo có ở các màng tế bào của các loài khác, là những chuỗi thẳng không có nhánh và vòng. Các nhóm isoprene đóng vai trò quan trọng trong sinh hóa của nhiều sinh vật, nhưng duy chỉ có vi khuẩn cổ là sử dụng chúng để tạo thành phospholipid. Những chuỗi có nhánh này có thể giúp bảo vệ màng tế bào khỏi bị hỏng do nhiệt độ cao.
• Ở một số vi khuẩn cổ, lớp lipid kép được thay bằng một lớp đơn. Vi khuẩn cổ đã nhập đuôi của hai phân tử phospholipid độc lập thành một phân tử đơn với hai đầu cực; điều này khiến màng của chúng thêm cố định và chống chịu tốt hơn với môi trường khắc nghiệt. Các lipid ở Ferroplasma là một ví dụ, chúng được cho là giúp gia tăng sự sống sót của loài này khi ở trong môi trường axít cao.

Thành tế bào và tiên mao

Hầu hết vi khuẩn cổ (trừ Thermoplasma và Ferroplasma) đều có thành tế bào. Ở hầu hết vi khuẩn cổ, thành tế bào thì được nhập với những protein trên bề mặt, tạo thành một lớp S (S-layer). Một lớp S là một hệ thống cố định các phân tử protein mà bao phủ bên ngoài tế bào như một áo giáp xích. Lớp này giúp bảo vệ cả về mặt hóa học lẫn vật lý, và có thể ngăn chặn các đại phân tử liên kết với màng tế bào. Khác với vi khuẩn, hầu hết vi khuẩn cổ không có peptidoglycan trong thành tế bào của chúng. Ngoại lệ của điều này là pseudopeptidoglycan (peptidoglycan giả), được tìm thấy ở các vi sinh vật sinh methan, nhưng pseudopeptidoglycan này lại thiếu đi axít D-amin và axít N-acetylmuramic.

Tiên mao của Archea có hoạt động giống như của vi khuẩn —cuống dài của chúng được điều khiển bởi một động cơ quay ở gốc. Những động cơ này lấy năng lượng từ gradient proton trong màng tế bào. Tuy nhiên, tiên mao của vi khuẩn cổ lại khác biệt đáng kể về thành phần cấu tạo và sự phát triển. Hai loại tiên mao tiến hóa từ các nguồn gốc khác nhau. Tiên mao vi khuẩn có chung nguồn gốc với hệ thống lưu trữ loại III, trong khi ở vi khuẩn cổ thì tiên mao ban đầu tiến hóa từ nhung mao vi khuẩn loại IV. Khác với tiên mao vi khuẩn, vốn rỗng và gắn kết với các tiểu đơn vị di chuyển từ lỗ trung tâm tới đỉnh của tiên mao, tiên mao vi khuẩn cổ được tổng hợp bằng cách gắn thêm các tiểu đơn vị vào gốc.

Trao đổi chất

Vi khuẩn cổ có sự trao đổi chất với các phản ứng hóa học rất đa dạng và sử dụng nhiều nguồn năng lượng. Những phản ứng này được phân loại vào các nhóm dinh dưỡng, phụ thuộc vào nguồn năng lượng và nguồn cacbon. Một số loài lấy năng lượng từ các hợp chất vô cơ như lưu huỳnh và amonia (hóa dưỡng vô cơ), bao gồm các loài nitrat hóa, các loài sinh methan và các loài oxy hóa methan kị khí. Ở những phản ứng này, một hợp chất chuyển electron cho hợp chất khác (phản ứng oxy hóa-khử), giải phóng năng lượng để cung cấp cho hoạt động của tế bào. Năng lượng giải phóng tạo ra ATP nhờ quá trình thẩm thấu hóa học, giống như quá trình cơ bản tương tự diễn ra ở ti thể của tế bào nhân chuẩn.

Có những nhóm vi khuẩn cổ khác sử dụng ánh sáng mặt trời như nguồn năng lượng (quang dưỡng), tuy nhiên sự quang hợp tạo oxy không diễn ra ở các sinh vật này. Nhiều con đường chuyển hóa cơ bản xuất hiện chung ở nhiều dạng sống; ví dụ, vi khuẩn cổ sử dụng một dạng đã biến đổi của quá trình đường phân (con đường Entner–Doudoroff) và một chu trình Krebs hoàn toàn hoặc một phần. Những điểm giống nhau trên giữa vi khuẩn cổ với các sinh vật khác có lẽ phản ánh được nguồn gốc ban đầu trong lịch sử sự sống và mức độ hiệu quả cao của những điểm này.

Một số loài Euryarchaeota là những loài sinh methan, sống trong môi trường kị khí như các đầm lầy. Dạng trao đổi chất này đã tiến hóa từ rất sớm, và thậm chí có thể là ở những sinh vật sống tự do đầu tiên. Có một phản ứng chung đó là khí cacbonic được dùng làm chất nhận điện tử để oxy hóa khí hydro. Quá trình sinh methan liên quan đến một loạt các coenzyme mà chỉ có ở những vi khuẩn cổ này, như coenzyme M hay methanofuran. Các hợp chất hữu cơ khác như rượu, acid acetic hay acid formic được sử dụng như các chất nhận điện tử khác ở các loài sinh methan. Những phản ứng này có chung ở các vi khuẩn cổ sống trong ruột. Acid acetic cũng bị phân tách trực tiếp thành methan và cacbon dioxide nhờ các vi khuẩn cổ "dưỡng acetic". Những vi khuẩn cổ dưỡng acetic này thuộc bộ Methanosarcinales, và là thành phần chính trong các cộng đồng vi sinh vật sản sinh biogas.

Các vi khuẩn cổ khác sử dụng CO
₂ trong khí quyền như nguồn cacbon dựa vào quá trình cố định cacbon (tự dưỡng). Quá trình này bao gồm cả một dạng đã biến đổi mức độ cao của chu trình Calvin hay một con đường chuyển hóa mới khám phá gần đây gọi là chu trình 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate. Crenarchaeota cũng sử dụng chu trình Krebs ngược trong khi Euryarchaeota sử dụng con đường acetyl-CoA thu gọn. Quá trình cố định cacbon sử dụng năng lượng từ nguồn vô cơ. Không một vi khuẩn cổ nào được biết là có quá trình quang hợp. Các nguồn năng lượng của vi khuẩn cổ cực kỳ đa dạng, bao gồm của việc oxy hóa amonia ở Nitrosopumilales cho tới việc sự oxy hóa hydro sulfite hoặc sulfide nguyên tử ở các loài thuộc Sulfolobus, sử dụng cả oxy hoặc ion kim loại làm chất nhận điện tử.

Những vi khuẩn cổ quang dưỡng sử dụng ánh sáng để sản xuất năng lượng hóa học dưới dạng ATP. Ở Halobacteria, các chất truyền ion được hoạt hóa bởi ánh sáng như bacteriorhodopsin và halorhodopsin sẽ tạo ra gradient ion bằng cách bơm ion ra khỏi tế bào thông qua màng sinh chất. Năng lượng được lưu trữ trong các gradient điện hóa này sau đó sẽ được chuyển thành dạng ATP nhờ sự tổng hợp ATP. Quá trình này là một dạng phosphoryl quang hóa. Khả năng của những bơm nhờ ánh sáng này để chuyển ion thông qua màng phụ thuộc vào những biến đổi nhờ ánh sáng trong cấu trúc của một cofactor retinol nằm ở trung tâm của protein.

Di truyền

Archaea thường có một nhiễm sắc thể đơn dạng vòng, kích cỡ có thể lớn tới khoảng 5.751.492 cặp base như ở Methanosarcina acetivorans, bộ gen lớn nhất của vi khuẩn cổ được biết đến. Một phần mười kích cỡ này là bộ gen nhỏ chỉ có 490.885 cặp base của loài Nanoarchaeum equitans, loài vi khuẩn cổ có bộ gen bé nhất; ước tính nó chỉ chứa khoảng 537 gen mã hóa protein. Những mảnh DNA nhỏ và riêng biệt, gọi là các plasmid, cũng được tìm thấy ở vi khuẩn cổ. Plasmid có thể được lưu chuyển giữa các tế bào thông qua tương tác vật lý, trong quá trình mà có thể gần giống như sự tiếp hợp của vi khuẩn.

Vi khuẩn cổ có thể bị nhiễm các virus DNA chuỗi kép, mà vốn không có mối liên quan tới bất kì dạng virus khác nào và có nhiều hình dạng bất thường, bao gồm dạng chai, dạng que có móc hoặc hình giọt nước. Những virus này đã được nghiên cứu hầu hết từng chi tiết trong các loài ưa nhiệt, đặc biệt các bộ Sulfolobales và Thermoproteales. Một virus DNA chuỗi đơn xâm nhiễm các loài ưa muối đã được xác định vào năm 2009. Sự phòng chống các loại virus này có thể cần can thiệp RNA đến từ các trình tự DNA lặp có liên quan đến các gen của virus.

Vi khuẩn cổ phân biệt hẳn về mặt di truyền với vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn, với lên tới 15% các protein được mã hóa bởi bất kì bộ gen vi khuẩn cổ nào đều là độc nhất riêng cho nhóm này, dù hầu hết các gen đặc biệt đấy chưa biết được có vai trò gì. Trong các protein độc nhất mà có chức năng đã được xác định, hầu hết đều liên quan đến sự sinh methan. Những protein mà có chung ở vi khuẩn cổ, vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn là trung tâm chung của chức năng tế bào, liên quan chủ yếu đến các quá trình phiên mã, dịch mã và chuyển hóa nucleotide. Những đặc trưng riêng khác của vi khuẩn cổ là sự tổ chức của các gen ở các chức năng liên quan —như các enzyme xúc tác các bước trong cùng con đường chuyển hóa lại thuộc những operon hoàn toàn mới, sự khác biệt lớn về các gen của tRNA và các enzyme aminoacyl tRNA synthetase.

Phiên mã và dịch mã ở vi khuẩn cổ giống như ở sinh vật nhân chuẩn hơn là ở vi khuẩn, với RNA polymerase và ribosome của vi khuẩn cổ rất gần với của sinh vật nhân chuẩn. Dù vi khuẩn cổ chỉ có duy nhất một loại RNA polymerase, cấu trúc và chức năng của nó trong phiên mã dường như gần với RNA polymerase II của sinh vật nhân chuẩn, với tập hợp protein tương tự (nhân tố phiên mã chung) giúp gắn kết RNA polymerase với promoter của một gen. Tuy nhiên, những nhân tố phiên mã khác của vi khuẩn cổ lại gần hơn với của vi khuẩn.Sự chỉnh sửa sau phiên mã thì đơn giản hơn là ở sinh vật nhân chuẩn, khi hầu hết gen của vi khuẩn cổ thiếu intron, dù có rất nhiều intron trong các gen RNA vận chuyển và RNA ribosome của chúng, cũng như intron có thể xuất hiện trong một vài gen mã hóa protein.

Sinh sản

Vi khuẩn cổ sinh sản vô tính thông qua phân đôi, phân mảnh hoặc nảy chồi; không có giảm phân, do đó nếu một loài vi khuẩn cổ nào xuất hiện nhiều hơn một dạng ở trên, tất cả đều có vật liệu di truyền giống nhau. Sự phân bào được điều khiển trong chu trình tế bào; sau sự nhân đôi nhiễm sắc thể và tách rời hai nhiễm sắc thể con, tế bào mới phân chia. Các chi tiết mới chỉ được nghiên cứu ở chi Sulfolobus, nhưng ở đây chu trình tế bào có những đặc điểm tương tự như ở cả vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn. Các nhiễm sắc thể nhân đôi từ nhiều điểm khởi đầu, sử dụng các DNA polymerase mà giống với các enzyme tương tự của sinh vật nhân chuẩn. Tuy nhiên, những protein mà điều khiển sự phân chia tế bào, ví dụ FtsZ tạo thành một vòng co lại xung quanh tế bào, và những hợp phần của vách ngăn dựng lên dọc giữa trung tâm tế bào, thì giống các protein tương ứng ở vi khuẩn.

Cả vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn đều có bào tử, ngược với vi khuẩn cổ. Một vài loài của Haloarchaea có sự thay đổi kiểu hình và phát triển thành một số kiểu tế bào khác nhau, bao gồm những cấu trúc vách mỏng giúp chống chịu với choáng thẩm thấu và cho phép vi khuẩn cổ sinh tồn ở môi trường nước có độ muối thấp, nhưng đây không phải là cấu trúc sinh sản và thay vì thế có thể giúp chúng tới những môi trường sống mới.

Sinh thái học

Môi trường sống

Vi khuẩn cổ phân bố ở hàng loạt môi trường sống, và là một phần chính của các hệ sinh thái toàn cầu, có thể chiếm tới gần 20% sinh khối của Trái Đất. Những vi khuẩn cổ đầu tiên được phát hiện là các loài sống ở môi trường khắc nghiệt. Thực tế, một số vi khuẩn cổ tồn tại được ở nhiệt độ cao, thường trên 100 °C (212 °F), được tìm thấy ở các mạch nước phun, các "ống khói đen" (black smoker) ở các miệng thủy nhiệt và các giếng dầu. Những ổ sinh thái khác bao gồm những môi trường sống rất lạnh và có độ mặn, tính acid hoặc tính kiềm cao. Tuy nhiên, vi khuẩn cổ còn bao gồm cả những loài sống ở điều kiện bình thường, trong các vùng lầy, cống rãnh, trong đất và đại dương.

Những vi khuẩn cổ sống ở môi trường cực đoan là thành viên của bốn nhóm sinh lý chính. Chúng là các loài ưa mặn, ưa nhiệt, ưa kiềm và ưa acid. Những nhóm này không trải rộng hay riêng biệt của một ngành nào, chúng cũng không loại trừ lẫn nhau, bởi một số vi khuẩn cổ có thể thuộc về vài nhóm. Tuy nhiên, chúng là điểm khởi đầu hữu dụng cho công việc phân loại.

Các loài ưa mặn, bao gồm chi Halobacterium, sống ở môi trường có lượng muối rất cao như các hồ mặn và có số lượng nhiều hơn hẳn nhóm vi khuẩn tương đương ở độ muối cao hơn 20–25%. Các loài ưa nhiệt sinh tồn tốt nhất ở nhiệt độ trên 45 °C (113 °F), ở những nơi như suối nước nóng; các vi khuẩn cổ "siêu ưa nhiệt" phát triển tối ưu ở nhiệt độ lớn hơn 80 °C (176 °F). Loài vi khuẩn cổ Methanopyrus kandleri sinh trưởng ở mức 122 °C (252 °F), nhiệt độ cao kỉ lục của bất kì sinh vật nào.

Những vi khuẩn cổ khác tồn tại ở điều kiện có acid hoặc kiềm cao. Lấy ví dụ, một trong các vi khuẩn cổ ưa acid cực đoan nhất là Picrophilus torridus, có thể sống ở mức pH 0, tương đương với phát triển trong acid sulfuric nồng độ 1,2 mol.

Khả năng chống chịu lại môi trường khắc nghiệt đã đưa vi khuẩn cổ trở thành trọng tâm của suy đoán về sự tồn tại của sự sống ngoài Trái Đất. Những môi trường sống của chúng cực đoan không khác gì lắm so với trên Sao Hỏa, dẫn đến một giả thuyết là những vi sinh vật sống có thể được di chuyển giữa các hành tinh nhờ các vẫn thạch.

Gần đây, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi khuẩn cổ tồn tại không chỉ trong môi trường nhiệt độ cao hay bình thường mà còn hiện diện, đôi khi ở số lượng lớn, ở cả nhiệt độ thấp. Ví dụ là vi khuẩn cổ rất phổ biến ở môi trường đại dương lạnh như biển ở hai cực. Một điều còn quan trọng hơn là số lượng to lớn của vi khuẩn cổ được tìm thấy xuyên suốt các đại dương trên thế giới ở những môi trường không cực đoan giữa các cộng đồng sinh vật phù du (là một phần của picoplankton – các sinh vật phù du kích cỡ 0,2-2 µm). Dù những vi khuẩn cổ này có thể xuất hiện với số lượng vô cùng lớn (lên tới 40% sinh khối vi sinh), hầu hết chúng đều chưa từng được phân lập và nghiên cứu trong nuôi cấy vô trùng. Vì thế những hiểu biết của chúng ta về vai trò của vi khuẩn cổ đối với sinh thái đại dương mới chỉ rất sơ lược, ảnh hưởng đầy đủ của chúng lên các chu trình sinh địa hóa toàn cầu phần lớn vẫn chưa được khám phá. Một số loài Crenarchaeota ở biển có khả năng nitrit hóa, từ đó đề xuất rằng chúng có thể ảnh hưởng lên chu trình nitơ ở đại dương, dù những loài này cũng có thể sử dụng những nguồn năng lượng khác. Số lượng lớn vi khuẩn cổ được phát hiện trong các trầm tích bao phủ đáy biển, với những loài chiếm phần lớn các tế bào sống ở độ sâu trên 1 mét dưới mặt lớp trầm tích này.

Vai trò trong chu trình hóa học

Vi khuẩn cổ tái sử dụng các nguyên tố như cacbon, nitơ, sulfide thông qua những môi trường sống đa dạng của chúng. Dù những hoạt động này là cần thiết cho chức năng hệ sinh thái thông thường, vi khuẩn cổ cũng có thể góp phần vào những thay đổi do con người làm ra, thậm chí kể cả sự ô nhiễm.

Vi khuẩn cổ đảm nhận nhiều bước trong chu trình nitơ. Chúng bao gồm những phản ứng mà tách nitơ khỏi hệ sinh thái, như hô hấp dùng nitơ hay sự phản nitrat hóa, cũng như các quá trình nhập nitơ, như đồng hóa và cố định nitơ. Mối liên quan giữa vi khuẩn cổ với các phản ứng oxy hóa amonia đã được khám phá gần đây. Những phản ứng này đóng vai trò đặc biệt quan trọng ở đại dương. Sự hiện diện của vi khuẩn cổ cũng là cốt yếu đối với sự oxy hóa amonia ở đất. Chúng sản xuất ra nitrit, mà những vi sinh vật khác sau đó sẽ oxy hóa thành nitrat. Thực vật và các loài khác tiêu thụ các chất này sau đó.

Ở chu trình sulfide, vi khuẩn cổ phát triển bằng cách oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh để giải phóng nguyên tố này khỏi đá, giúp các loài khác có thể sử dụng được. Tuy nhiên, vi khuẩn cổ thực hiện việc này, như Sulfolobus, tạo ra acid sulfuric như là một sản phẩm thừa, và sự phát triển của các loài này ở các mỏ bị bỏ hoang có thể góp phần tạo ra nước acid mỏ và gây những tác hại cho môi trường.

Trong chu trình cacbon, vi khuẩn cổ sinh methan chuyển đi hydro và có vai trò quan trọng trong việc phân hủy vật chất hữu cơ của các quần thể vi sinh vật trong những hệ sinh thái kị khí, như trầm tích, đầm lầy và trong xử lý nước thải. Tuy nhiên, methan là một trong những khí nhà kính nhiều nhất trong khí quyển Trái Đất, chiếm khoảng 18% tổng lượng toàn cầu. Chúng gây ra hiệu ứng nhà kính mạnh hơn gấp 25 lần so với khí cacbonic. Các loài sinh methan là nguồn chính của methan khí quyền, và là nguyên nhân chính của phần lớn lượng phát thải methan hàng năm. Vì thế, vi khuẩn cổ cũng đóng góp vào việc phát thải khí nhà kính và gây ra hiện tượng ấm lên toàn cầu.

Tương tác với các loài khác

Quan hệ tích cực giữa Archea và các sinh vật khác bao gồm sự hỗ sinh và hội sinh. Cho đến năm 2007, chưa có bất kì trường hợp gây bệnh hay ký sinh do vi khuẩn cổ nào được biết đến. Tuy nhiên, người ta đã đề xuất về một mối quan hệ giữa vài loài sinh methan và các bệnh nhiễm trùng trong miệng; hay Nanoarchaeum equitans có thể là ký sinh của vài loài vi khuẩn cổ khác, do nó chỉ có thể sống và sinh sản khi ở trong tế bào loài Ignicoccus hospitalis thuộc Crenarchaeota, và không đem lại lợi ích nào cho vật chủ của nó.

Hỗ sinh

Một ví dụ được hiểu rõ ràng của sự hỗ sinh đó là mối tương tác giữa động vật nguyên sinh và vi khuẩn cổ sinh methan trong hệ thống tiêu hóa của động vật tiêu hóa cellulose, như động vật nhai lại và mối. Ở môi trường kị khí, các động vật nguyên sinh sẽ phá vỡ cellulose của thực vật để lấy năng lượng. Quá trình này giải phóng khí hydro là sản phẩm thừa, nhưng mật độ khí hydro cao lại giảm năng suất sinh năng lượng của chúng. Khi các loài sinh methan chuyển hydro vào methan, động vật nguyên sinh sẽ có thể có thêm nhiều năng lượng hơn.

Ở các loài động vật nguyên sinh sống kị khí như Plagiopyla frontata, vi khuẩn cổ sống bên trong các loài này và tiêu thụ khí hydro sản xuất trong hydrogenosome của chúng. Vi khuẩn cổ còn hợp tác với cả những sinh vật lớn hơn. Ví dụ, loài vi khuẩn cổ sống ở biển Cenarchaeum symbiosum cộng sinh trong loài bọt biển Axinella mexicana.

Hội sinh

Vi khuẩn cổ có thể là những kẻ hội sinh, thu lợi từ sự kết hợp mà không giúp đỡ hay gây hại gì cho loài khác. Lấy dẫn chứng như loài sinh methan Methanobrevibacter smithii, là loài vi khuẩn cổ phổ biến nhất trong các vi sinh vật ở cơ thể người, chiếm khoảng 1/10 tất cả các sinh vật nhân sơ trong ruột người. Ở mối và ở người, những loài methan này có thể là loài hỗ sinh, liên kết với các vi sinh vật khác trong ruột và trợ giúp cho sự tiêu hóa. Cộng đồng vi khuẩn cổ cũng kết hợp với nhiều loài sinh vật khác nhau, như trên bề mặt san hô, và trong các phần đất bao xung quanh rễ cây (vùng rễ).

Vai trò trong công nghiệp và kĩ thuật

Các vi khuẩn cổ sống môi trường cực đoan, đặc biệt những loài có tính chống chịu với cả nhiệt hay acid và kiềm, là nguồn cho các enzyme có thể hoạt động dưới những điều kiện khắc nghiệt trên. Những enzyme này được phát hiện với nhiều công dụng. Ví dụ, các DNA polymerase ổn định với nhiệt độ, như Pfu DNA polymerase từ Pyrococcus furiosus, đã tạo nên cuộc cách mạng trong ngành sinh học phân tử nhờ cho phép phản ứng chuỗi trùng hợp sử dụng trong nghiên cứu trở thành một kĩ thuật đơn giản và nhanh chóng để tái bản DNA. Trong công nghiệp, amylase, galactosidase và pullulanase ở các loài Pyrococcus khác mà có thể hoạt động ở nhiệt độ lớn hơn 100 °C (212 °F) đã giúp cho việc xử lý thực phẩm ở nhiệt độ cao, như sản xuất ra sữa và váng sữa có lượng lactose thấp. Các enzyme từ những vi khuẩn cổ ưa nhiệt cũng có xu hướng ổn định trong các dung môi hữu cơ, từ đó có những ứng dụng trong các quá trình thân thiện với môi trường trong ngành hóa học xanh nhằm tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Tính ổn định này còn giúp chúng tham gia vào cả sinh học cấu trúc. Những enzyme tương tự như của vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn lấy từ vi khuẩn cổ thường được sử dụng trong các nghiên cứu của ngành này.

Trái ngược với một loạt những ứng dụng của các enzyme vi khuẩn cổ, việc sử dụng chính bản thân các loài này trong công nghệ sinh học thì còn chưa phát triển. Vi khuẩn cổ sinh methane là một phần thiết yếu trong xử lý nước thải, chúng cũng là một phần của cộng đồng vi sinh vật có tính năng tiêu hóa kị khí và sản xuất biogas. Trong xử lý mỏ, những vi khuẩn cổ ưa acid cho thấy triển vọng trong việc chiết xuất các kim loại từ quặng. bao gồm vàng, cobalt và đồng.

Vi khuẩn cổ có một lớp mới các chất kháng sinh có tiềm năng ứng dụng. Một vài chất đã được mô tả nhưng người ta tin rằng vẫn còn hàng trăm chất khác tồn tại, đặc biệt trong các nhóm Haloarchaea và Sulfolobus. Những hợp chất này có cấu trúc khác biệt hơn là với kháng sinh từ vi khuẩn, do đó chúng có thể có những cách thức hoạt động hoàn toàn mới. Thêm vào đó, chúng có thể cho phép tạo ra những gen đánh dấu chọn lọc mới mà ứng dụng trong ngành sinh học phân tử của vi khuẩn cổ.

Đọc thêm

• Howland, John L. (2000). The Surprising Archaea: Discovering Another Domain of Life. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0-19-511183-4.
• Martinko JM, Madigan MT (2005). Brock Biology of Microorganisms . Englewood Cliffs, N.J: Prentice Hall. ISBN 0-13-144329-1.
• Garrett RA, Klenk H (2005). Archaea: Evolution, Physiology and Molecular Biology. WileyBlackwell. ISBN 1-40-514404-1.
• Cavicchioli R (2007). Archaea: Molecular and Cellular Biology. American Society for Microbiology. ISBN 1-55-581391-7.
• Blum P (biên tập) (2008). Archaea: New Models for Prokaryotic Biology. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-27-1.
• Lipps G (2008). “Archaeal Plasmids”. Plasmids: Current Research and Future Trends. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-35-6.

Liên kết ngoài

Wikispecies có thông tin sinh học về Cổ khuẩn

Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Cổ khuẩn.

• Archaea (Prokaryote) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Giới thiệu về Vi khuẩn cổ, sinh thái, phân loại và hình thái
• Cổ khuẩn tại Encyclopedia of Life
• Cổ khuẩn tại trang Trung tâm Thông tin Công nghệ sinh học quốc gia Hoa Kỳ (NCBI).
• Cổ khuẩn 935939 tại Hệ thống Thông tin Phân loại Tích hợp (ITIS).
• Validly published names of genera of the domain (or empire) of Archaea (or Archaeobacteria) LPSN: Các chi của Archaea
• Tree of Life cho thấy mối quan hệ của Archaea với các dạng sống khác
• Tìm kiếm bất kì bộ gen vi khuẩn cổ nào ở UCSC