นิเวศวิทยาและความหลากหลายของจุลินทรีย์

นิเวศวิทยาและความหลากหลายของจุลินทรีย์เป็นการศึกษาความหลากหลายอันน่าทึ่งของจุลินทรีย์ ความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการ และบทบาทที่พวกมันมีในชุมชนและระบบนิเวศทั่วชีวมณฑล

Definition

นิเวศวิทยาและความหลากหลายของจุลินทรีย์คือการศึกษาความหลากหลายของจุลินทรีย์ ความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการ และปฏิสัมพันธ์ของพวกมันซึ่งกันและกันและกับสิ่งแวดล้อมของพวกมัน

Scope

สาขานี้ครอบคลุมการจัดระเบียบทางสายวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตออกเป็นสามโดเมนโดยอิงจากลำดับโมเลกุล; ความหลากหลายของแบคทีเรีย, อาร์เคีย, และยูคาริโอตขนาดเล็ก; อาร์เคียและสิ่งมีชีวิตที่ชอบสภาพสุดขีดที่เจริญเติบโตได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง; โครงสร้างและหน้าที่ของชุมชนจุลินทรีย์และไบโอฟิล์ม; ไมโครไบโอมที่เกี่ยวข้องกับโฮสต์; และวิธีการทางโมเลกุลที่ไม่ต้องอาศัยการเพาะเลี้ยงที่เผยให้เห็นจุลินทรีย์ส่วนใหญ่ที่ไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้ โดยวางกรอบให้จุลินทรีย์เป็นรากฐานของวัฏจักรชีวธรณีเคมีและการทำงานของระบบนิเวศ

Sub-topics

• Archaea and Extremophiles
• Microbial Communities and Biofilms
• Microbial Phylogeny and the Three Domains
• Microbiomes and Host Associations

Core questions

• จุลินทรีย์มีความสัมพันธ์กันและกับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ อย่างไร?
• อะไรคือสาเหตุของความหลากหลายอันมหาศาลของสิ่งมีชีวิตจุลินทรีย์?
• ชุมชนจุลินทรีย์รวมตัวและทำงานอย่างไร?
• วิธีการทางโมเลกุลเผยให้เห็นจุลินทรีย์ที่ไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้อย่างไร?

Key theories

แผนภูมิต้นไม้แห่งชีวิตสามโดเมน

การเปรียบเทียบลำดับ ribosomal RNA เผยให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตแบ่งออกเป็นสามโดเมน ได้แก่ Bacteria, Archaea และ Eukarya โดยอาร์เคียก่อตัวเป็นสายเลือดที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นการปรับเปลี่ยนความเข้าใจเกี่ยวกับความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการ

มุมมองทางโมเลกุลของความหลากหลายของจุลินทรีย์

การจัดลำดับยีน ribosomal RNA โดยไม่พึ่งการเพาะเลี้ยงจากสิ่งแวดล้อมแสดงให้เห็นว่าความหลากหลายของจุลินทรีย์ส่วนใหญ่ไม่เคยถูกเพาะเลี้ยง ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงการประมาณการขอบเขตและโครงสร้างของสิ่งมีชีวิตจุลินทรีย์

Mechanisms

ความสัมพันธ์ทางสายวิวัฒนาการในหมู่จุลินทรีย์อนุมานได้จากลำดับโมเลกุลที่ได้รับการอนุรักษ์ โดยเฉพาะยีน ribosomal RNA ซึ่งทำหน้าที่เป็นนาฬิกาทางวิวัฒนาการ วิธีการที่ไม่ต้องอาศัยการเพาะเลี้ยงจะขยายและจัดลำดับยีนเหล่านี้โดยตรงจากตัวอย่างสิ่งแวดล้อม เผยให้เห็นองค์ประกอบของชุมชนโดยไม่ต้องมีการเพาะเลี้ยง ภายในชุมชน จุลินทรีย์มีปฏิสัมพันธ์กันผ่านการแข่งขัน ความร่วมมือ และการแลกเปลี่ยนเมแทบอลิซึม จัดระเบียบเป็นกลุ่มที่มีโครงสร้าง เช่น ไบโอฟิล์มและไมโครไบโอมที่ขับเคลื่อนกระบวนการของระบบนิเวศ

Clinical relevance

ชุมชนจุลินทรีย์ขับเคลื่อนวัฏจักรทั่วโลกของคาร์บอน ไนโตรเจน ซัลเฟอร์ และธาตุอื่นๆ รักษาความอุดมสมบูรณ์ของดินและคุณภาพน้ำ และสร้างไมโครไบโอมที่เกี่ยวข้องกับโฮสต์ซึ่งส่งผลต่อชีววิทยาของพืชและสัตว์ ทำให้นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์เป็นรากฐานสำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม เกษตรกรรม และการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับสุขภาพ

History

นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ก่อตั้งโดย Winogradsky และ Beijerinck ในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้า การศึกษา ribosomal RNA ของ Carl Woese ในทศวรรษ 1970 เผยให้เห็นสิ่งมีชีวิตสามโดเมนและความแตกต่างของอาร์เคีย และ Norman Pace และคนอื่นๆ ได้ใช้วิธีการทางโมเลกุลในภายหลังเพื่อแสดงให้เห็นว่าความหลากหลายของจุลินทรีย์ส่วนใหญ่ในธรรมชาติยังคงไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้

Key figures

• Carl Woese
• Norman Pace
• Sergei Winogradsky
• Martinus Beijerinck

Seminal works

• woese1977
• pace1997
• madigan2018

Frequently asked questions

เหตุใดจุลินทรีย์ส่วนใหญ่จึงถูกกล่าวว่าไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้?

การสำรวจทางโมเลกุลของสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติตรวจพบความหลากหลายของจุลินทรีย์มากกว่าที่สามารถเพาะเลี้ยงได้ในห้องปฏิบัติการมาก เนื่องจากจุลินทรีย์ส่วนใหญ่มีความต้องการการเจริญเติบโตที่เฉพาะเจาะจงหรือไม่ทราบ การจัดลำดับโดยไม่พึ่งการเพาะเลี้ยงเผยให้เห็นสิ่งมีชีวิตเหล่านี้แม้ว่าจะไม่ได้รับการเพาะเลี้ยงก็ตาม

สิ่งมีชีวิตสามโดเมนคืออะไร?

จากการเปรียบเทียบลำดับโมเลกุล สิ่งมีชีวิตแบ่งออกเป็นสามโดเมน ได้แก่ Bacteria, Archaea และ Eukarya อาร์เคียเป็นโปรคาริโอตที่ก่อตัวเป็นสายเลือดที่แตกต่างจากแบคทีเรีย ซึ่งเป็นการค้นพบที่ปรับเปลี่ยนมุมมองเกี่ยวกับความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการ