*Thaumarchaeota*: Филогенез, Уникальная Биохимия и Ведущая Роль в Глобальном Азотном Цикле (Академический Реферат)

Введение: Положение Архей в Современной Экологии

В течение долгого времени домен Архей (*Archaea*) рассматривался преимущественно как совокупность экстремофилов — организмов, процветающих в геотермальных источниках, соленых озерах или анаэробных средах. Однако современные молекулярно-генетические и экологические исследования радикально изменили это представление, выявив обширные группы архей, доминирующих в мезофильных средах, таких как океаны и почвы. Ключевой группой, перевернувшей парадигму архей, является филум Thaumarchaeota (Таумархеоты).

Уникальность *Thaumarchaeota* заключается в их метаболической функции: они являются преобладающими аммоний-окисляющими археями (АОА), ответственными за критически важный этап глобального цикла азота — окисление аммиака. По оценкам, планктонные археи, значительная доля которых относится к *Thaumarchaeota*, могут составлять почти 20% от общей биомассы пикопланктона в Мировом океане, что подчеркивает их колоссальную, ранее недооцененную, экологическую значимость. И что из этого следует? Их доминирование означает, что именно эти археи являются основными регуляторами доступности нитрита и, как следствие, ключевым звеном, контролирующим общую продуктивность морских экосистем.

Целью данной работы является исчерпывающий анализ филума *Thaumarchaeota*, включающий их таксономическое положение, морфологические и биохимические особенности (в частности, уникальный липид кренархеол), ключевую метаболическую роль в геохимических циклах и экологическое распространение. Структура реферата соответствует требованиям углубленного академического доклада, основанного на рецензируемых научных данных.

Таксономическое Положение и Филогенетические Особенности Филума *Thaumarchaeota*

Развитие молекулярной филогенетики привело к существенной ревизии таксономии домена *Archaea*. До начала XXI века мезофильные, некультивируемые археи из океана (Marine Group I) традиционно относились к филуму *Crenarchaeota*. Однако глубокий филогеномный анализ показал, что эти организмы обладают уникальным геномом и биохимией, которые требуют выделения их в отдельный, самостоятельный эволюционный ствол. Таким образом, ученые обнаружили, что традиционные методы классификации не отражают истинной сложности их эволюции, поэтому возникла необходимость в новом таксоне.

Ключевым событием стало предложение о выделении *Thaumarchaeota* в отдельный филум в 2008 году (Brochier-Armanet et al., 2008). Название *Thaumarchaeota* происходит от греческого слова «thaumas», означающего «чудо» или «удивление», что отражает их неожиданную ведущую роль в глобальной нитрификации.

Место в Домене *Archaea* и Надгруппе TACK

В домене *Archaea* *Thaumarchaeota* является одним из пяти основных филумов, наряду с *Euryarchaeota*, *Crenarchaeota*, *Korarchaeota* и *Nanoarchaeota*.

Согласно последним филогеномным исследованиям, *Thaumarchaeota* входят в крупную надгруппу TACK, которая объединяет *Thaumarchaeota*, *Aigarchaeota*, *Crenarchaeota* и *Korarchaeota*. Эта надгруппа имеет критическое значение в контексте гипотезы происхождения эукариот (гипотеза эукариома). Филогенетически TACK-археи рассматриваются как наиболее близкие к предку эукариот, что подчеркивает их фундаментальную роль в эволюции жизни.

Классификация и Ключевые Порядки

Филум *Thaumarchaeota* демонстрирует значительное экологическое разнообразие, что отражается в его внутренней классификации. Основные группы можно разделить по их экологической нише:

Порядок	Основная Экологическая Ниша	Пример Представителя	Ключевая Характеристика
Nitrosopumilales	Морские пелагические и прибрежные воды	*Nitrosopumilus maritimus*	Мезофильные, наиболее изученные АОА Мирового океана.
Nitrososphaerales	Почвенные и наземные среды, пресные воды	*Nitrososphaera viennensis*	АОА, доминирующие в почвах, особенно в кислых.
Conexivisphaerales	Гипертермальные и ацидофильные среды	*Conexivisphaera* sp.	Недавно описанный порядок, демонстрирующий термофилию.

Представители порядка *Nitrosopumilales* (часто называемые Marine Group I) ответственны за окисление аммиака в обширных олиготрофных областях океана, где концентрация субстрата крайне низка. Представители *Nitrososphaerales* являются ключевыми игроками в нитрификации наземных экосистем.

Морфологические Характеристики и Биохимическая Уникальность: Кренархеол

Клетки *Thaumarchaeota* имеют типичную прокариотическую организацию и, как все археи, обладают фундаментальным биохимическим отличием от бактерий и эукариот: мембранные липиды связаны с глицерином не сложноэфирными, а эфирными связями.

Строение Клетки и Общие Свойства Мембран

Клетки *Thaumarchaeota* обычно имеют малые размеры (пикопланктон), что объясняет их высокую эффективность в олиготрофных средах за счет большого отношения площади поверхности к объему.

Наиболее значимая особенность их мембран — это липиды. В отличие от липидов бактерий, которые являются диэфирами (два ацильных хвоста), липиды архей часто представляют собой Глицерин-Диалкил-Глицерин-Тетраэфиры (ГДГТ). Тетраэфиры формируют монослойную мембрану, где две изопреноидные цепи (у каждой полярной головки) соединены между собой, образуя чрезвычайно стабильную структуру. Эфирные связи и монослойная структура придают мембране высокую химическую и термическую стабильность, снижая проницаемость и текучесть, что позволяет археям выживать в широком диапазоне условий. Но какой важный нюанс здесь упускается? Именно эта монослойная структура является критическим адаптивным механизмом, позволяющим *Thaumarchaeota* сохранять целостность мембраны при экстремальных перепадах температуры и давления в глубоководных и почвенных средах.

Структура и Экологическая Роль Кренархеола (Crenarchaeol)

Ключевым биохимическим маркером, уникально ассоциированным с *Thaumarchaeota* (и выделяющим их из *Crenarchaeota*), является липид кренархеол (*crenarchaeol*).

Структурные особенности:
Кренархеол — это тетраэфирный липид с изопреноидными боковыми цепями. Его отличительная черта заключается в наличии от трех до восьми циклопентановых колец в изопреноидных цепях. Критически важно, что один из изопреноидных фрагментов кренархеола содержит уникальное шестичленное циклогексановое кольцо, чего нет в липидах других архей.

Экологическое и Геохимическое Значение:
Наличие кренархеола имеет двойное значение:

1. Биомаркер АОА: Поскольку кренархеол является специфичным для *Thaumarchaeota*, его обнаружение в образцах окружающей среды (вода, осадки, почвы) служит надежным биомаркером присутствия аммоний-окисляющих архей.
2. Палеотемпературный Прокси (TEX₈₆): Липиды ГДГТ, включая кренархеол, широко используются в геохимии для реконструкции палеоклимата. Индекс TEX₈₆ (TetraEther-Index of 86 carbons) основан на соотношении различных ГДГТ, содержащих различное количество циклопентановых колец. Считается, что археи регулируют количество колец в зависимости от температуры окружающей среды, что позволяет ученым использовать этот индекс для оценки палеотемпературы поверхности моря (SST) с высокой точностью.

Основная Метаболическая Роль: Хемолитоавтотрофное Окисление Аммиака (АОА)

Метаболическая функция *Thaumarchaeota* определена их ролью в азотном цикле. Они являются хемолитоавтотрофами, то есть получают энергию путем окисления неорганических соединений (аммиака) и используют эту энергию для фиксации неорганического углерода (CO₂).

Ферментативный Механизм Окисления Аммиака

*Thaumarchaeota* катализируют первую стадию нитрификации — окисление аммиака (NH₃) до нитрита (NO₂⁻). Это ключевой, лимитирующий этап круговорота азота в большинстве экосистем.

Окисление аммиака протекает в два этапа, первый из которых осуществляется ферментом аммиакмонооксигеназой (АМО):

1. Окисление аммиака до гидроксиламина:

NH₃ + O₂ + 2e⁻ + 2H⁺ → NH₂OH + H₂O

АМО является мембраносвязанным мультисубъединичным ферментом, который содержит медь и катализирует присоединение атома кислорода к аммиаку.

2. Окисление гидроксиламина до нитрита:
Последующее окисление гидроксиламина (NH₂OH) до нитрита (NO₂⁻) осуществляется другим ферментом — гидроксиламинаксидоредуктазой (HAO).

Ген *amoA* как маркер:
Ген amoA, кодирующий альфа-субъединицу АМО, является стандартным функциональным маркером для детекции и количественного анализа аммоний-окисляющих прокариот. Сравнительный анализ последовательностей *amoA* показал, что *Thaumarchaeota* часто доминируют по численности и активности в океанах и почвах с низкими концентрациями субстрата. Может ли это означать, что бактериальные нитрификаторы не столь важны в олиготрофных средах, как предполагалось ранее?

Особенности Фиксации Углерода

Большинство автотрофных организмов используют цикл Кальвина-Бенсона для фиксации CO₂. Однако, согласно геномным и метаболическим данным, *Thaumarchaeota* не обладают полным набором ферментов этого цикла.

Вместо него *Thaumarchaeota* используют альтернативный, более энергетически эффективный путь, который предположительно является 3-гидроксипропионатным/4-гидроксибутиратным циклом. Этот путь, также обнаруженный у некоторых гипертермофильных архей, позволяет им ассимилировать CO₂ и синтезировать органические вещества, необходимые для роста.

Взаимодействие в Азотном Цикле

Продукт жизнедеятельности *Thaumarchaeota* — нитрит (NO₂⁻) — немедленно включается в дальнейшие процессы азотного цикла.

В морских экосистемах, особенно в зонах с низким содержанием кислорода (кислородный минимум), нитрит может служить субстратом для реакции анаэробного окисления аммония (анаммокс). Эта реакция, осуществляемая, в основном, анаэробными планктомицетами, является ключевым процессом, возвращающим азот из биосферы в атмосферу в виде газообразного N₂. Таким образом, *Thaumarchaeota* не только инициируют нитрификацию, но и обеспечивают субстратом другие критически важные процессы денитрификации.

Экология и Количественная Значимость *Thaumarchaeota*

Одно из наиболее поразительных открытий, связанных с *Thaumarchaeota*, — это их повсеместная распространенность и количественное доминирование в мезофильных средах, что ранее приписывалось исключительно бактериям.

Распространение в Водных Экосистемах (Морские и Черное море)

Морские *Thaumarchaeota* (*Nitrosopumilales*) являются неотъемлемой частью глобального морского микробиома. Они способны эффективно окислять аммиак даже при концентрациях субстрата, которые являются лимитирующими для аммоний-окисляющих бактерий.

• Глобальный океан: Археи могут составлять до 20% от общей численности пикопланктона. Их активность особенно высока в олиготрофных и мезотрофных водах, где они вносят основной вклад в первичную нитрификацию.
• Черное море: Исследования показали, что аммоний-окисляющие археи (АОА) в водной толще Черного моря встречаются в концентрациях от 10³ до 10⁵ клеток/мл. Максимальная численность АОА наблюдается в субтермоклинных водах (ниже термоклина), где условия среды (температура, содержание кислорода, концентрация аммиака) оптимальны для их хемолитоавтотрофного роста.

Роль в Почвенных Экосистемах и Влияние pH

*Thaumarchaeota* (*Nitrososphaerales*) являются столь же значимыми в наземных средах, где они конкурируют с аммоний-окисляющими бактериями (АОБ). Экологическое доминирование в почвах часто определяется кислотностью среды (pH):

Экосистема	Значение pH	Доминирующая Группа АОП	Концентрация *Thaumarchaeota*
Лесные и таежные почвы	Низкое (кислое, pH < 6.0)	*Thaumarchaeota* (АОА)	Высокая; могут составлять до 28% общей численности прокариот (например, в арктических почвах).
Агроценозы и луговые почвы	Нейтральное (pH 6.5–7.5)	Аммоний-окисляющие бактерии (АОБ)	Сниженная; АОБ имеют конкурентное преимущество.

АОА в почвах играют критическую роль в поддержании почвенного плодородия и являются важным источником нитрита, необходимого для роста растений. Однако их метаболизм также связан с нежелательными экологическими последствиями: *Thaumarchaeota* могут быть причастны к эмиссии закиси азота (N₂O) — мощного парникового газа. Согласно некоторым оценкам, вклад АОА в поток N₂O из серой лесной почвы может достигать 20–25%.

История Открытия и Нерешенные Вопросы Современной Таумареальной Микробиологии

Открытие *Thaumarchaeota* и признание их экологической роли является одним из самых значимых событий в микробиологии начала XXI века.

Хронология Ключевых Событий

1. До 2005 года: Морские мезофильные археи, известные как Marine Group I (MGI), были известны только по молекулярным маркерам, но считались некультивируемыми и классифицировались как *Crenarchaeota*.
2. 2005 год (Könneke et al.): Ключевой прорыв — выделение в чистую культуру первого представителя АОА, морского штамма *Nitrosopumilus maritimus*. Этот организм показал способность к хемолитоавтотрофному росту за счет окисления аммиака, подтвердив, что археи являются важными нитрификаторами.
3. Около 2008 года (Brochier-Armanet et al.): На основе филогеномного анализа было официально предложено выделить MGI и родственные им группы в отдельный филум *Thaumarchaeota*, что окончательно закрепило их уникальное таксономическое положение.

Открытые Вопросы и Перспективы Исследований

Несмотря на значительный прогресс, в изучении *Thaumarchaeota* остается ряд нерешенных и актуальных вопросов, требующих дальнейших исследований:

1. Гетеротрофный/Миксотрофный Метаболизм:
   Основной нерешенный вопрос касается окончательного подтверждения того, способны ли *Thaumarchaeota* использовать органические вещества не только для построения клеточных структур, но и в качестве дополнительного источника углерода или энергии (миксотрофия или гетеротрофия). Геномные данные предполагают наличие соответствующих путей, но культивируемые исследования показывают, что их рост полностью зависит от аммиака. Если будет подтверждено их участие в гетеротрофном метаболизме, это кардинально изменит представление об их роли в цикле углерода.
2. Точный Вклад в Цикл Углерода:
   Хотя *Thaumarchaeota* являются автотрофами, их вклад в общий поток фиксации CO₂ в океане и почвах, а также их взаимодействие с другими автотрофными и гетеротрофными организмами, требует более точной количественной оценки.
3. Филогенетическое Разнообразие и Глубоководные Формы:
   Несмотря на выделение нескольких порядков, большая часть филогенетического разнообразия *Thaumarchaeota* остается некультивируемой. Необходимо более полное выявление и характеристика геохимической роли этой группы в экстремальных нишах (например, в глубоководных гидротермальных источниках или в составе пикопланктона в нижней части водной толщи).

Заключение

Филум *Thaumarchaeota* является одним из наиболее значимых и удивительных открытий в современной микробиологии, изменившим наше понимание глобальных биогеохимических циклов.

Эти организмы, выделенные в отдельный филум на основании строгих филогенетических критериев (Brochier-Armanet, 2008), обладают уникальной биохимией, ключевым маркером которой является кренархеол — тетраэфирный липид с уникальной структурой. Кренархеол не только обеспечивает стабильность мембраны в различных средах, но и служит бесценным геохимическим биомаркером, используемым в палеоклиматических реконструкциях (прокси TEX₈₆).

Метаболическая уникальность *Thaumarchaeota* заключена в их хемолитоавтотрофном окислении аммиака, которое они осуществляют с высокой эффективностью с помощью фермента аммиакмонооксигеназы (АМО), используя для фиксации CO₂ альтернативный 3-гидроксипропионатный/4-гидроксибутиратный цикл. *Thaumarchaeota* доминируют в первичной нитрификации как в океанах (где составляют значительную часть пикопланктона), так и в кислых почвах, выполняя лимитирующую функцию в глобальном цикле азота.

Несмотря на их очевидную важность, такие вопросы, как окончательное подтверждение миксотрофного метаболизма и точный вклад в эмиссию парниковых газов, остаются открытыми. Дальнейшие исследования *Thaumarchaeota* имеют решающее значение для создания точных моделей климата и биогеохимических процессов на Земле.

Список использованной литературы

1. Gruber N., Galloway J.N. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle // Nature. 2008. Vol. 451. P. 293–296.
2. Purkhold U., Pommerening-Roser A., Juretschko S., Schmid M.C., Koops H.P., Wagner M. Phylogeny of all recognized species of ammonia oxidizers based on comparative 16S rRNA and amoA sequence analysis: implications for molecular diversity surveys // Appl Environ Microbiol. 2000. Vol. 66. P. 5368–5382.
3. De Boer W., Kowalchuk G.A. Nitrification in acid soils: micro-organisms and mechanisms // Soil Biol Biochem. 2001. Vol. 33. P. 853–866.
4. Prosser J.I. Autotrophic nitrification in bacteria // Adv Microb Physiol. 1989. Vol. 30. P. 125–181.
5. Venter J.C., Remington K., Heidelberg J.F., Halpern A.L., Rusch D., Eisen J.A., Wu D.Y., Paulsen I., Nelson K.E., Nelson W. Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea // Science. 2004. Vol. 304. P. 66–74.
6. Treusch A.H., Leininger S., Kletzin A., Schuster S.C., Klenk H.-P., Schleper C. Novel genes for nitrite reductase and Amo-related proteins indicate a role of uncultivated mesophilic crenarchaeota in nitrogen cycling // Environ Microbiol. 2005. Vol. 7. P. 1985–1995.
7. Hallam S.J., Mincer T.J., Schleper C., Preston C.M., Roberts K., Richardson P.M., DeLong E.F. Pathways of carbon assimilation and ammonia oxidation suggested by environmental genomic analyses of marine Crenarchaeota // PLoS Biol. 2006. Vol. 4. P. 2412–12412.
8. Könneke M., Bernhard A.E., de la Torre J.R., Walker C.B., Waterbury J.B., Stahl D.A. Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizing marine archaeon // Nature. 2005. Vol. 437. P. 543–546.
9. de la Torre J.R., Walker C.B., Ingalls A.E., Konneke M., Stahl D.A. Cultivation of a thermophilic ammonia oxidizing archaeon synthesizing crenarchaeol // Environ Microbiol. 2008. Vol. 10. P. 810–818.
10. Почвоведение. 2022. № 8. С. 1035–1045 // sciencejournals.ru.
11. Микробиология. 2019. Т. 88, № 4 // sciencejournals.ru.
12. Новые процессы микробной трансформации азота в почвах как источник парниковых газов // cyberleninka.ru.
13. Роль архей в происхождении эукариот // cyberleninka.ru.
14. The role of archaea in the origin of eukaryotes (PDF) // researchgate.net.
15. Биомасса и таксономическая структура микробных сообществ в почвах правобережья р. Оки (PDF) // researchgate.net.
16. СТРУКТУРА СООБЩЕСТВА АРХЕЙ В ФОТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ ВОДНОЙ ТОЛЩИ ЧЕРНОГО МОРЯ // elibrary.ru.
17. Мембранные тетраэфирные липиды планктонных Crenarchaeota // almamater13.ru.
18. Микробные сообщества почв // agrobiology.ru.
19. Краткий курс по микробиологии / Захарова Н.Г., Вершинина В.И., Ильинская О.Н. // kpfu.ru.
20. БИОРАЗНООБРАЗИЕ И СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ // psu.ru.
21. Особенности бактериального круговорота азота в литоральной зоне озера Байкал // dissercat.com.
22. Экология микроорганизмов: Учебное пособие / Гуреева М.В., Грабович М.Ю. // vsu.ru.
23. Домен Archaea – обзор системы, метаболизм, биотехнологический потенциал // eco-vector.com.
24. ГИПЕРТЕРМОФИЛЬНЫЕ АРХЕИ КАК ИСТОЧНИК НОВЫХ ТЕРМОСТАБИЛЬНЫХ И ТЕРМОА // fbras.ru.
25. Факультет почвоведения МГУ (Полярные липиды мембран) // msu.ru.
26. Плазматическая мембрана у бактерий и архей // jove.com.