Что относится к прокариотическим организмам
Прокариоты и эукариоты – кто это такие, в чем между ними разница, кто лучше приспособлен к жизни
У эукариотов в клетках есть ядро, у прокариотов нет ядра.
Прокариоты – это такие живые организмы, в клетках которых нет ядра. У эукариотов, наоборот, все клетки с ядрами внутри. Это самое главное отличие, но есть и ряд других, более мелких. Давайте разбираться.
Какие организмы относятся к прокариотам, а какие – к эукариотам
Смотрите, есть организмы одноклеточные и многоклеточные. У одноклеточных весь организм – это всего лишь одна клетка. У многоклеточных (например, у дождевого червя, свиньи, человека) клеток много.
Если организм одноклеточный и он прокариотический (то есть у него нет ядра в этой одной клетке) – это бактерия.
Если он одноклеточный, но с ядром – это простейшее. К простейшим относятся, например, амебы, инфузории, эвглены и другие.
Если он многоклеточный, то он однозначно эукариот, потому что многоклеточных прокариот не бывает. Какой именно эукариот – надо уже смотреть, это может быть и растение, и гриб, и животное.
Получается вот такая схема:
Все организмы были поделены на прокариотов и эукариотов французским биологом Эдуардом Шаттоном в первой половине 20 века. А точнее в 1925 году.
В школе достаточно описывать всех существующих организмов по моей схеме. Но вы можете еще добавить, что кроме бактерий к прокариотам относятся так называемые археи. Это почти те же бактерии, но у них есть некоторые различия в генетическом аппарате, в процессе синтеза белков и пр.
Да и по образу жизни они не очень совпадают – археи могут жить в среде, кислотность которой в 8 раз превышает кислотность желудочного сока. Некоторые из них способны размножаться только при температуре больше 100 градусов по Цельсию.
Что общего у клеток эукариот и прокариот
У них у всех есть цитоплазматическая мембрана. Это как бы оболочка, которая отделяет клетку от окружающей среды, защищает ее.
Внутри клетки у прокариот и эукариот есть цитоплазма – жидкость, которая связывает между собой все компоненты клетки, обеспечивает питание каждого органоида.
Чтобы любые клетки могли делиться (то есть размножаться), нужны ДНК (или РНК) и рибосомы. Рибосомы – это органоид в клетке, который, как фабрика, выпускает разные белковые соединения.
Итак, общее: цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, рибосомы, ДНК (или РНК).
Как они питаются
Большинство прокариот – гетеротрофы. Они не умеют из неорганических веществ делать органические, поэтому потребляют их в готовом виде. Так поступает, например, кишечная палочка, которая «кормится» в нашем организме и в благодарность создает для нас витамин К.
Так питаются и возбудители многих заболеваний, которые могут полностью уничтожить организм человека и животного, если вовремя их не вылечить.
Есть среди прокариотических организмов и небольшое количество автотрофов. Например, есть цианобактерии, которые могут на свету создавать органические вещества. Еще есть бактерии, которые умеют разлагать сероводород и использовать эту энергию для синтеза органики. Они тоже автотрофы.
Какую роль они играют в круговороте органики
Большая часть прокариотов являются редуцентами – то есть они разлагают мертвую органику. Причем разлагают ее так, что от органики вообще ничего не остается. Органическое вещество полностью превращается в неорганическое.
Чем различаются клетки эукариот и прокариот
У эукариот ДНК находится в ядре. У прокариот ядра нет, поэтому ДНК (или РНК) находится прямо в цитоплазме. Ее принято называть «нуклеоидом».
ДНК прокариот имеет кольцевую форму, а у эукариот ДНК линейные и собраны в хромосомы.
Рибосомы прокариот меньше по размерам, чем таковые у эукариот.
Эукариотическая клетка содержит еще кучу всяких органоидов, которых нет у доядерных организмов. Например, в клетке есть аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть (сокращенно – ЭПС), митохондрии, у растений еще есть хлоропласты, вакуоли с клеточным соком и так далее.
Как видите, строение клеток ядерных организмов намного более сложное.
Бывают ли у эукариот клетки без ядра
Да. Например, у человека есть три типа клеток крови: лейкоциты (которые обеспечивают иммунитет), эритроциты (переносят кислород) и тромбоциты (обеспечивают свертывание крови). Так вот, ядро есть только у лейкоцитов, остальные клетки его не содержат.
Но. Обратите внимание, клетки крови – это ведь не самостоятельный организм, это часть нашего организма, все остальные клетки которого – ядерные.
То есть эритроциты и тромбоциты – это не как бактерии, которые живут сами по себе, поодиночке.
К кому относятся вирусы
Ни к кому. Это вообще особая форма жизни. Вирусы в отличие от прокариот и эукариот – неклеточные существа, у них есть белковая оболочка, но клетки как таковой нет.
Как появились вирусы – никто не знает. Первыми организмами в эволюционной цепочке они быть не могли, прокариоты упроститься до вирусов тоже вряд ли могли.
Вопросы есть, ответов нет.
Кто лучше приспособлен к жизни
Считается, что прокариоты – самые низкоорганизованные живые существа. Они появились на земле первыми и были самыми простыми. От них впоследствии произошли эукариоты – более приспособленные, более развитые.
Но возникает вопрос. Если эволюция действительно есть, то эукариоты должны были вытеснить прокариотов. Бактерии в принципе должны были перестать существовать. Однако сегодня суммарная масса всех бактерий превышает массу растений и животных взятых вместе.
Вам это не кажется странным?
Споры бактерий ученые обнаруживают в воздухе на высоте 15 километров. Их достают из вечной мерзлоты, которой больше 3 миллионов лет, помещают в питательную среду и бактбакерии (которые 3 миллиона лет пролежали подо льдом!) оживают.
Такие выводы заставляют меня задумываться еще кое о чем. Была ли вообще эволюция? Правдивы ли гипотезы о том, что из одноклеточных прокариотов появились эукариоты, которые потом стали многоклеточными и развивались, развивались, развивались так, что доразвились в итоге до человека?
Прокариоты
Изучение бактерий привело к открытию горизонтального переноса генов, который был описан в Японии в 1959 г. Этот процесс широко распространен среди прокариот, а также у некоторых эукариот. Открытие горизонтального переноса генов у прокариот заставило по-другому взглянуть на эволюцию жизни. Ранее эволюционная теория базировалась на том, что виды не могут обмениваться наследственной информацией. Прокариоты могут обмениваться генами между собой непосредственно (конъюгация, трансформация) а также с помощью вирусов — бактериофагов (трансдукция).
Содержание
Характерные особенности
История понятия
Монеры
В настоящее время термин «монеры» не применяется.
См. также
Примечания
Полезное
Смотреть что такое «Прокариоты» в других словарях:
ПРОКАРИОТЫ — (от про. и греч. karyon ядро), доядерные организмы, клетки которых не имеют ограниченных мембраной ядер. Прокариоты лишены большинства органоидов. Аналог ядра структура из ДНК, белков и РНК. К прокариотам относятся бактерии, прохлорофитовые… … Экологический словарь
ПРОКАРИОТЫ — ПРОКАРИОТЫ, организмы, не обладающие в отличие от эукариот оформленным клеточным ядром. К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине зеленые водоросли). В системе органического мира прокариоты составляют надцарство … Современная энциклопедия
ПРОКАРИОТЫ — (от лат. pro вперед вместо и греч. karyon ядро), организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром. Генетический материал в виде кольцевой цепи ДНК лежит свободно в нуклеотиде и не образует настоящих хромосом. Типичный… … Большой Энциклопедический словарь
ПРОКАРИОТЫ — (от лат. pro перед, раньше, вместо и греч. karyon ядро), организмы, клетки к рых не имеют ограниченного мембраной ядра все бактерии, включая архебактерий и циано бактерий. Аналог ядра структура, состоящая из ДНК, белков и РНК. Генетич. система П … Биологический энциклопедический словарь
прокариоты — одно из надцарств мира живых существ. В противоположность эукариотам имеют целый ряд отличительных признаков–генетический аппарат их клеток представлен двойной замкнутой нитью ДНК (бактериальной хромосомой), не отделенной мембраной от цитоплазмы; … Словарь микробиологии
Прокариоты — ПРОКАРИОТЫ, организмы, не обладающие в отличие от эукариот оформленным клеточным ядром. К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине зеленые водоросли). В системе органического мира прокариоты составляют надцарство. … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ПРОКАРИОТЫ — (prokaryotae, раньше monara), царство, включающее БАКТЕРИИ и ЦИАНОБАКТЕРИИ (раньше назывались сине зелеными ВОДОРОСЛЯМИ). КЛЕТКИ прокариотов более простые, чем клетки других организмов, и не имеют ограниченного мембраною ЯДРА, а ДНК содержится не … Научно-технический энциклопедический словарь
прокариоты — Организмы, клетки которых лишены ограниченного мембраной ядра; аналогом ядра является нуклеоид, генетическая система которого (генофор) соответствует примитивной хромосоме; митоза у П. нет, клетки П. лишены хлоропластов, митохондрий, аппарата… … Справочник технического переводчика
Прокариоты — * пракарыёты * prokaryotes or prokaryotic organisms представители сверхцарства (надцарства), в которое входят архебактерии, эубактерии и цианобактерии (синезеленые водоросли). П. не имеют ограниченных мембраной ядер с хромосомами и обладают… … Генетика. Энциклопедический словарь
прокариоты — ов; мн. [лат. pro перед, вместо, karyon ядро]. Организмы, лишенные оформленного ядра и не делящиеся по принципу деления ядра надвое (например, бактерии, сине зелёные водоросли и т.п.). * * * прокариоты (от лат. pro вперёд, вместо и греч. káryon … Энциклопедический словарь
Какие организмы относятся к прокариотам
Все существующие клеточные формы жизни делятся на два домена — прокариоты и эукариоты.
К доядерным организмам — прокариотам — относят одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра. В основном это бактерии, но также к прокариотическим организмам относятся археи, с некоторых пор отделенные от царства Бактерий.
Почему же бактерии относят к прокариотам? Отличительный признак этой группы организмов, как уже было упомянуто, — отсутствие оформленного ядра. Наследственная информация (ДНК) у них находится в цитоплазме в виде кольцевой молекулы — нуклеоида — и не отделена от окружающей клетки мембраной. В свою очередь, у эукариотов ДНК находится в ядре, заключенном в мембрану.
Это интересно: основным свойством плазматической мембраны является что?
Строение
В среднем, размер прокариотической клетки составляет 0,5−5 мкм. Первые бактерии были открыты голландским учёным Антони ван Левенгуком, который увидел их в примитивный микроскоп.
Это интересно: почему некоторые органоиды клетки называют немембранными?
Чаще всего встречаются следующие формы бактерий:
то интересно: чем живая природа отличается от неживой?
Особенности размножения
Размножение прокариотов обычно происходит с помощью простого деления клетки. Изредка встречается метод почкования, отделяющаяся при этом дочерняя клетка гораздо меньше родительской. Поделившиеся клетки зачастую остаются рядом, образуя нитевидную или иную структуру.
При благоприятных внешних условиях размножение прокариотов беспрерывно, их число растет в геометрической прогрессии. Увеличение популяции длится, пока не кончатся ресурсы для жизнедеятельности.
При неблагоприятных для жизни условиях некоторые прокариотические организмы могут образовывать споры. Спора у прокариотов — стадия покоя, в которой клетка покрывается плотной оболочкой, защищающей её от внешних воздействий. Некоторые организмы в стадии споры могут переносить температуру выше 100 градусов Цельсия. В обычном состоянии большинство прокариотов погибает при температуре кипения воды. Это не относится к термофилам — бактериям, живущим в горячих источниках.
Кто относится к прокариотам
К этому домену относят бактерии, археи и сине-зеленые водоросли, в сущности тоже являющиеся бактериями. Рассмотрим их разновидности подробнее.
Фототрофные бактерии
Для питания, а, следовательно, и получения энергии они используют свет. Фототрофные бактерии имеют красную, оранжевую или сине-зеленую окраску. Это происходит оттого, что для фотосинтеза необходим имеющий цвет пигмент — каротиноиды и хлорофиллы у бактерий.
Фотосинез у них бескислородный, иначе его называют аноксигенным.
Хемоавтотрофные организмы
Это организмы, 
получающие энергию за счет использования неорганических веществ, например, аммиака, нитритов, серы, железа и других металлов. Кстати, эти самые бактерии живут в аквариумах и поддерживают там биологический баланс (нитрифицирующие бактерии). Большинство архей также относится к хемоафотрофным организмам.
Часто хемоавтотрофы живут в горячих источниках, где есть сера. Другие их разновидности являются создателями качественных железных руд, которые получаются в результате окисления бактериями двухвалентного железа.
Гетеротрофные организмы
Прокариотические организмы, потребляющие органические вещества, перерабатывают органику в неорганические соединения. Именно гетеротрофы создают в природе удобрения, которые потребляют растения. Эти бактериям не под силу перерабатывать пластик и некоторые другие химические вещества, поэтому «химия» считается столь опасной для экологии.
Гетеротрофные микроорганизмы человек научился использовать в своих целях. Например, молочнокислые и квашеные продукты — результат деятельности таких бактерий. Другие при брожении выделяют кислоты, которые использует химическая промышленность (муравьиная, уксусная, янтарная и другие). Среди гемблером наиболее востребованы игровые автоматы на деньги с выводом средств. В отличие от карточных развлечений, в них можно играть без опыта и глубоких знаний тактик. Казино с пополнением по смс с теле2 позволит легко вернуться в игру. Для практики можно также воспользоваться бесплатной версией слотов, познакомившись с их механиками. Есть и полезные гетеротрофы, живущие в симбиозе с многоклеточными организмами: микрофлора человеческого кишечника состоит как раз из таких бактерий.
Паразитические прокариоты
В основном паразитами являются бактерии. Из архей только один известный вид считается таковым.
Микроорганизмы-паразиты всем известны, ведь именно они вызывают большую часть инфекционных болезней животных и человека, начиная от банальной ангины и заканчивая смертельно опасными ботулизмом, дизентерией и туберкулёзом.
Сине-зелёные водоросли
Так ошибочно стали называть цианобактерии. Произошло это, вероятно, из-за их места обитания (обычно это водные организмы, наземные встречаются редко) и внешнего вида (часто образуют колонии или нити зеленых цветов).
Относятся к автотрофам, так как получают энергию в процессе фотосинтеза. Клеточное строение похоже на клетки прочих прокариотов. У большей части видов сине-зелёных водорослей есть вакуоли с азотом, позволяющие клетке плавать. Могут образовывать споры, размножаются делением клетки или же распадом колонии. В окультуренных водоёмах и аквариумах эти микроорганизмы причиняют немало неприятностей, однако для биосферы Земли они полезны, так как выделяют кислород в атмосферу. Также некоторые из них могут минерализовывать продукты гниения, тем самым очищая водную среду. Это не позволяет полностью отнести цианобактерии к фотоавтотрофам.
Прокариоты. Строение, форма клеток, размножение, питание
» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>
Прокариоты
К царству прокариот относятся организмы, которых обычно называют бактериями. Это — наидревнейшая группа, появившаяся примерно 3,5 млрд. лет назад; к тому же это и мельчайшие организмы, обладающие клеточной структурой. Свойства прокариот суммированы в табл. 2.2. Как правило, прокариоты представлены одиночными клетками, хотя сине-зеленые водоросли (цианобактерии, Cyanobacteria) могут образовывать цепочки клеток, называемые нитями.
Некоторые бактерии прилипают друг к другу, образуя характерные скопления, напоминающие гроздья винограда (рис. 2.10), однако объединившиеся клетки остаются абсолютно независимыми друг от друга. Индивидуальную бактериальную клетку можно увидеть только с помощью микроскопа, почему их и называют микроорганизмами. Наука, изучающая бактерий — бактериология — составляет важную ветвь микробиологии.
Бактерии различаются по своим размерам: их длина колеблется от 0,1 до 10 мкм, а диаметр в среднем составляет — 1 мкм. Таким образом, в бактериальной клетке достаточно места, чтобы поперек нее уместилось 200 молекул глобулярных белков среднего размера (5 нм в диаметре).
Поскольку такие молекулы способны диффундировать примерно на расстояние 60 мкм в секунду, никаких специальных механизмов транспорта этим организмам не нужно.
Бактерий можно обнаружить повсюду: в почве, и в пыли, в воде и в воздухе, внутри и на поверхности животных и растений. Некоторые бактерии поселяются в горячих источниках с температурой 78 °С или выше. Другие способны выжить при очень низких температурах и даже пережить определенные периоды замораживания во льду. Встречаются бактерии и в глубоких расселинах на дне океана при очень высоком давлении и температуре 360 °С. С них начинаются уникальные пищевые цепи в этих областях океана.
Число бактерий невообразимо велико; установлено, что в одном грамме плодородной почвы содержится 2,5 млрд. бактерий; в 1 см 3 свежего молока их содержание может превышать 3 млрд. Вместе с грибами бактерии имеют жизненно важное значение для всех других организмов, поскольку, разрушая в результате своей жизнедеятельности органические вещества, они обеспечивают циркуляцию биогенных элементов в природе. Кроме того, они приобретают все более важное значение в жизни человека, и не только потому, что некоторые из них являются возбудителями различных болезней, но и потому, что в силу разнообразия протекающих в них биохимических реакций они могут использоваться во многих биотехнологических процессах.
2.3.1. Строение бактерий
На рис. 2.5 показано строение обобщенной бактерии — типичной прокариотической клетки. На рис. 2.6, А–Г изображена широко известная палочковидная бактерия Escherichia coli. Обычно она совершенно безвредна. Ее наличие в воде может использоваться в качестве очень надежного показателя загрязнения воды фекалиями. Из всех бактерий E. coli изучена лучше всего. Кроме того, это одна из бактерий, генетическая карта которых установлена полностью. Обратите внимание, что у E. coli намного меньше видимых внутриклеточных структур, чем в эукариотической клетке (рис. 5.10 и 5.11). На рис. 2.7 показана другая палочковидная бактерия, у которой в отличие от E. coli имеется жгутик.
Клеточная стенка
Клеточная стенка бактерий — структура довольно прочная и позволяет клетке сохранять свою форму; это обусловлено наличием в ней муреина — молекулы, построенной из параллельных полисахаридных цепей, перекрестно связанных через регулярные интервалы короткими цепями аминокислот. Таким образом, каждая клетка окружена как бы сетчатым мешком, представляющим на деле одну огромную молекулу. Клеточная стенка предохраняет клетку от разрыва при поступлении в нее воды (например, в результате осмоса). Ионы воды и малые молекулы попадают в клетку через мельчайшие поры в клеточной стенке.
В 1884 г. датский биолог Кристиан Грам разработал метод окрашивания, с помощью которого было установлено, что бактерии подразделяются на две естественные группы, что, как теперь стало известно, обусловлено различиями в строении их клеточной стенки. Одни бактерии, окрашивающиеся по Граму, получили название грамположительных, другие, не окрашивающиеся, — грамотрицательных.
У грамположительных бактерий, таких как Staphylococcus, Bacillus и Lactobacillus в муреиновую сетку встроены другие компоненты, в основном полисахариды и белки, что делает клеточную стенку сравнительно толстой. У грамотрицательных бактерий, таких как Salmonella, E.coli и Azotobacter, клеточная стенка тоньше и имеет более сложное строение (рис. 2.8). Муреиновый слой у этих бактерий снаружи покрыт гладким тонким мембраноподобным слоем липидов и полисахаридов, защищающим клетки от лизоцима — антибактериального фермента, содержащегося в слезах, слюне и других биологических жидкостях, а также в белке куриного яйца.
Лизоцим расщепляет полисахаридный каркас муреина, что приводит к продырявливанию клеточной стенки и лизису клетки, т. е. к ее осмотическому набуханию и разрыву. Липидно-полисахаридный слой обусловливает также устойчивость грамотрицательных бактерий к пенициллину. Этот антибиотик блокирует образование перекрестных сшивок в муреине растущих грамположительных бактерий, что делает их клетки более чувствительными к осмотическому шоку.
Плазматическая мембрана, мезосомы и фотосинтетические мембраны
Как и у всех других организмов, живое вещество бактериальной клетки окружено полупроницаемой мембраной. По строению и функциям плазматическая мембрана бактериальных клеток не отличается от плазматических мембран эукариотических клеток (разд. 5.9). Она служит также местом локализации дыхательных ферментов, а у некоторых бактерий она образует мезосомы и(или) фотосинтетические мембраны.
Мезосомы— складчатые структуры, представляющие собой впячивания плазматической мембраны клетки (рис. 2.5). Во время клеточного деления мезосомы, по-видимому, ассоциируются с ДНК, что обеспечивает разделение двух дочерних молекул ДНК после репликации и способствует образованию перегородки между дочерними клетками.
У фотосинтезирующих бактерий в мешковидных, трубчатых или пластинчатых впячиваниях плазматической мембраны содержатся фотосинтетические пигменты (в том числе обязательно бактериохлорофилл). Сходные мембранные образования участвуют и в фиксации азота.
Генетический материал (бактериальная «хромосома»)
Бактериальная ДНК представляет собой одиночную кольцевую молекулу длиной около 1 мм (т. е. она значительно длиннее, чем сама клетка), состоящую примерно из 5 млн. пар оснований.
Суммарное содержание ДНК (геном), а следовательно, и количество закодированной в ней информации, в бактериальной клетке значительно меньше, чем в эукариотической: в типичном случае у бактерии ДНК содержит несколько тысяч генов, что в 500 раз меньше, чем в клетке человека (см. также табл. 2.2 и рис. 2.5).
Рибосомы
Рибосомы служат местом синтеза белков (см. табл. 2.2 и рис. 5.5).
Капсулы
У некоторых бактерий слизистые или клейкие секреты образуют капсулы; капсулы хорошо видны после негативного контрастирования (когда окрашивают не препарат, а фон). Иногда эти секреты служат для формирования колоний из одиночных бактерий. С помощью секретов бактерии приобретают способность прилипать к различным поверхностям, таким как зубы, частицы ила или скалы. Кроме того, капсулы обеспечивают дополнительную защиту для бактериальной клетки. Так, например, капсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме человека, вызывая воспаление легких, тогда как некапсулированные штаммы легко атакуются и разрушаются фагоцитами и поэтому совершенно безвредны.
Споры
Некоторые бактерии, главным образом относящиеся к родам Clostridiumи Bacillus, образуют эндоспоры (т. е. споры, которые располагаются внутри клеток). Споры представляют собой толстостенные долгоживущие образования, отличающиеся очень высокой устойчивостью, особенно к нагреванию, коротковолновому облучению и высушиванию. Локализация спор в клетке бывает различной и служит важным признаком для идентификации и классификации бактерий (см. рис. 2.10).
Жгутики
Многие бактерии подвижны, что обусловлено наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутик — это простой полый цилиндр, образуемый одинаковыми белковыми молекулами.
Несмотря на волнистую форму, они довольно жестки (рис. 2.7). Подвижность бактерий достигается вращением основания жгутика; получается, что жгутик как бы ввинчивается в среду, не совершая беспорядочных биений, и таким образом продвигает бактерию за собой. В качестве примеров бактерий, имеющих жгутики, приведем Rhizobium (один жгутик) и Azotobacter (много жгутиков); обе бактерии участвуют в круговороте азота в природе.
Подвижные бактерии могут передвигаться в ответ на определенные раздражители, т. е. они способны к таксису. Аэробные бактерии, например, перемещаются в направлении увеличения концентрации кислорода в среде (проявляют положительный аэротаксис), а подвижные фотосинтезирующие бактерии плывут к свету (проявляют положительный фототаксис).
Жгутики лучше всего видны в электронном микроскопе при использовании метода напыления (рис. 2.7).
Пили
На клеточной стенке некоторых грамотрицательных бактерий видны многочисленные тонкие палочковидные выросты, которые называются пили, или фимбрии (рис. 2.7). Пили короче и тоньше жгутиков и служат для прикрепления к специфическим клеткам или поверхностям. Известны различные типы пилей, но наибольший интерес вызывают F-пили, участвующие в половом размножении (разд. 2.3.3).
Плазмиды
Помимо единственной молекулы ДНК, имеющейся у всех бактерий, у некоторых из них обнаруживается еще одна или более плазмид (рис. 2.9).
Плазмида — это небольшая кольцевая молекула дополнительной ДНК, способная к саморепликации. Плазмида несет в себе всего несколько генов, обусловливающих повышенную выживаемость клеток. Некоторые плазмиды делают клетку устойчивой к антибиотикам.
Например, в клетках некоторых стафилококков содержится плазмида, несущая ген пенициллиназы — фермента, расщепляющего пенициллин.
В результате клетка оказывается устойчивой к пенициллину. Распространение таких генов при конъюгации находит важное применение в медицине. Известны и другие плазмидные гены, в частности гены,
2.3.2. Форма клеток
Форма бактериальной клетки является одним из важнейших систематических признаков. Четыре основных типа клеток приведены на рис. 2.10. На этом же рисунке указаны как полезные, так и болезнетворные бактерии.
2.3.3. Размножение
Индивидуальный рост и бесполое размножение
Соотношение поверхность/объем у бактериальных клеток очень велико, что способствует быстрому поглощению питательных веществ из окружающей среды за счет диффузии и активного транспорта. Поэтому в благоприятных условиях бактерии способны расти очень быстро. Рост бактериальных клеток в большой степени зависит от таких факторов среды, как температура, наличие питательных веществ, pH среды и концентрация ионов. Кроме того, облигатным аэробам необходим кислород, а облигатным анаэробам необходимо, чтобы его не было.
Достигнув определенных размеров, диктуемых соотношением объемов ядра и цитоплазмы, бактерии переходят к бесполому размножению путем простого деления, т. е. путем деления на две идентичные дочерние клетки (рис. 2.11).
Клеточному делению предшествует репликация ДНК, причем до тех пор, пока процесс репликации не завершится, мезосомы могут удерживать ДНК в определенном положении (рис. 2.5 и 2.6, В). Мезосомы могут прикрепляться и к новым перегородкам, образующимся между дочерними клетками, участвуя каким-то образом в синтезе материала клеточной стенки. У самых быстрорастущих бактерий деление происходит через каждые 20 мин.
Половое размножение
В 1946 г. у бактерий было обнаружено половое размножение, но в самой примитивной форме. Гамет в данном случае не образуется, однако наиважнейшее событие полового размножения, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот процесс называется генетической рекомбинацией. Генетическая рекомбинация впервые была обнаружена при изучении E.coli. В норме при наличии в среде достаточного количества глюкозы и неорганических солей E.coli сама синтезирует все необходимые ей аминокислоты. В результате облучения этих бактерий у них иногда возникают случайные мутации. Были выделены два типа мутантов: один, не способный синтезировать биотин (витамин) и аминокислоту метионин, и другой — не способный синтезировать аминокислоты треонин и лейцин. В среду, не содержавшую всех четырех факторов роста, помещали по 10 8 клеток каждого мутантного штамма. Теоретически клетки не должны были расти на этой среде. Однако все же было получено несколько сотен колоний (каждая колония возникает из одной исходной клетки), причем оказалось, что в таких клетках имеются все гены, необходимые для образования этих четырех факторов роста. Следовательно, в клетках каким-то образом произошел обмен генетической информацией, но выделить вещество, ответственное за этот процесс, в то время не удалось. В конце концов было установлено (при помощи электронного микроскопа), что клетки E.coli могут непосредственно контактировать друг с другом, т. е. у них может происходит конъюгация (рис. 2.12).
Таким образом, при конъюгации происходит перенос ДНК между клетками в результате прямого контакта. Одна клетка в этом случае служит донором («мужская» клетка), другая — реципиентом («женская» клетка). Способность клетки служить донором определяется генами, содержащимися в особой плазмиде, называемой половым фактором или F-фактором (F от англ. fertility — плодовитость). В этих генах закодирован белок специфических пилей, называемых F-пилями или половыми пилями. F-пили участвуют в межклеточном контакте при конъюгации. Пили — структуры полые и предполагается, что именно по этим пилям осуществляется перенос ДНК от донора (F + ) к реципиенту (F – ).
Процесс этот показан на рис. 2.13.
Hfr-штаммами (от англ. H — High — высокая, f — frequency — частота, r — recombination — рекомбинация), потому что донорная ДНК таких штаммов рекомбинирует с ДНК реципиента.
2.3.4. Питание
Питание — это процесс приобретения энергии и веществ. Основываясь на природе необходимого источника энергии или источника углерода — наиважнейшего элемента для роста, — живые организмы можно подразделить на несколько групп. Для синтеза органических соединений живые организмы способны использовать только два вида энергии: энергию света и энергию химических связей. Организмы, использующие световую энергию, называются фототрофами, а организмы, использующие только химическую энергию — хемотрофами. Фототрофы осуществляют фотосинтез.
Как уже говорилось, организмы разделяют также на автотрофные и гетеротрофные — в зависимости от того, какой источник углерода они используют: неорганическое соединение (диоксид углерода) или разнообразные органические вещества. Таким образом, можно выделить четыре типа питания (табл. 2.3). Среди бактерий встречаются представители всех четырех типов. Наибольшую группу образуют хемогетеротрофные бактерии.
Хемогетеротрофные бактерии
Бактерии этого типа получают энергию из поступающих с пищей химических соединений.
Они способны использовать огромное множество различных веществ. Среди хемогетеротрофных бактерий можно выделить три основные группы, а именно сапротрофы, мутуалисты и паразиты.
Сапротрофы представлены организмами, извлекающими питательные вещества из мертвого разлагающегося материала. Для разложения органического материала сапротрофы выделяют на него ферменты. Таким образом, переваривание пищи у них происходит вне организма. Образующиеся при этом растворимые продукты поступают в тело сапротрофа и там ассимилируются.
Мутуализмом (или симбиозом) называют любую форму тесной взаимосвязи между двумя живыми организмами, выгодной для обоих партнеров. Примером бактериального мутуализма может служить Rhizobium — бактерия, способная фиксировать азот и живущая в корневых клубеньках бобовых растений, например гороха и клевера, или Escherichia coli, обитающая в кишечнике человека и, вероятно, поставляющая человеку витамины группы B и K.
Паразитом называют любой организм, живущий внутри тела или на теле другого организма (хозяина), от которого он получает пищу и, как правило, убежище. Хозяевами могут служить представители самых различных видов, причем паразиты наносят ощутимый вред своим хозяевам. Паразиты, вызывающие болезни, называют патогенами. Некоторые из них приведены на рис. 2.10. Одни паразиты, называемые облигатными, могут жить и расти только в живых клетках. Другие, называемые факультативными, заражают хозяина, вызывают его гибель и затем живут на его остатках как сапротрофы. Паразиты отличаются чрезвычайной разборчивостью в пище, поскольку они нуждаются во «вспомогательных факторах роста», которые не способны синтезировать сами, но могут получать только от своих хозяев.
Фотоавтотрофные бактерии
Примерами фотоавтотрофных бактерий могут служить цианобактерии, называемые также сине-зелеными бактериями. Водоросли и растения также являются фотоавтотрофами. Все они осуществляют фотосинтез и используют углекислый газ (CO2) в качестве единственного источника углерода (табл. 2.3).
Процесс фотосинтеза впервые появился у бактерий, возможно именно у цианобактерий. Как мы увидим далее, хлоропласты водорослей и наземных растений представляют собой, по-видимому, потомков некогда свободноживущих фотосинтезирующих бактерий, поселившихся в свое время в гетеротрофных клетках.
Цианобактерии широко распространены в поверхностных водах морей и пресных водоемов. Кроме того, они обнаружены в слизистых подушковидных образованиях на затененных почвах, на скалах, в иле, на древесине и в некоторых живых организмах. Большинство цианобактерий представлены одиночными клетками, хотя некоторые из них объединяются, образуя покрытые слизью нити, например Anabaena и Spirulina. В отличие от большинства бактерий они, подобно водорослям и растениям, способны к фотосинтезу, а, следовательно, и к выделению кислорода из воды. На рис. 2.14 показано строение типичной цианобактерии Anabaena.
Как видно из рисунка, толщу цитоплазмы характерным образом пронизывают фотосинтетические мембраны, на которых располагаются фотосинтетические пигменты. Пигменты представлены хлорофиллом а, похожим на пигмент растений и водорослей, и специфическим сине-зеленым пигментом фикоцианином. Клетки цианобактерий, как правило, крупнее клеток других бактерий. Способность цианобактерий выделять кислород в процессе фотосинтеза, наличие у них фотосинтетических мембран, и хлорофилл а свидетельствуют о том, что цианобактерии вполне могут быть эволюционным звеном между остальными бактериями и эукариотами.
Некоторые цианобактерии, такие как Anabaena, способны фиксировать азот. Иными словами, они способны превращать содержащийся в воздухе газообразный азот в аммиак, который затем может быть использован для синтеза аминокислот, белков и других азотсодержащих органических соединений. Этот процесс происходит в специализированных клетках, называемых гетероцистами, которые образуются при недостатке азота. Гетероцисты экспортируют содержащиеся в них азотистые вещества в соседние клетки в обмен на другие питательные вещества, например углеводы.
Хемоавтотрофные бактерии
Эти организмы чаще называют хемосинтезирующими бактериями. В качестве источника углерода они используют CO 2 (диоксид углерода), но энергию получают в результате химических реакций. Высвобождение необходимой энергии происходит при окислении таких неорганических веществ, как аммиак и нитриты. Некоторые хемоавтотрофные бактерии играют важную роль в круговороте азота, участвуя в процессе, называемом нитрификацией. Процесс нитрификации протекает в две стадии. На первом этапе аммиак окисляется до нитрита, что сопровождается выделением энергии. Этот этап осуществляется такими, например, бактериями, как Nitrosomonas. На втором этапе образовавшийся нитрит окисляется до нитрата с высвобождением дополнительной энергии. Этот этап осуществляется, например, Nitrobacter
2.3.5. Рост популяции бактерий
2.1. Рассмотрим ситуацию, когда одиночная бактериальная клетка помещена в питательную среду и находится в условиях, оптимальных для роста.
Перепишите табл. 2.4 и заполните ее, исходя из предположения, что эта клетка и все ее потомки делятся каждые 20 мин.
На основе данных заполненной вами таблицы постройте графики.
По вертикальной оси отложите число бактерий (кривая А) и десятичный логарифм этого числа (кривая Б), а по горизонтальной оси — время.
Что можно сказать о форме этих кривых?
Когда число клеток увеличивается, как видно из заполненной вами табл. 2.4, говорят о логарифмическом, экспоненциальном или геометрическом росте. В этом случае мы получим экспоненциальный ряд чисел. Это гораздо легче понять, если посмотреть на строку В в табл. 2.4, где число бактерий выражено в виде числа 2, возведенного в соответствующую степень. Показатель степени можно назвать логарифмом или экспонентной числа 2.
Логарифмы, или экспоненты, образуют линейный ряд 0, 1, 2, 3 и т. д., соответствующий числу генераций.
Вернемся к табл. 2.4; вместо чисел, расположенных в строке А, можно записать их логарифмы по основанию 2 следующим образом:
1. Во время лаг-фазы бактерии адаптируются к новой среде обитания, и поэтому рост пока еще не достигает максимальной скорости. В этот период у бактерий могут, например, синтезироваться новые ферменты, необходимые для усвоения тех питательных веществ, которые содержатся в новой среде.
2. Логарифмическая фаза — это фаза, когда бактерии растут с максимальной скоростью, число клеток увеличивается почти экспоненциально, а кривая роста представляет собой практически прямую.
3. В конце концов рост колонии начинает замедляться, и культура входит в стационарную фазу, когда скорость роста равна нулю и когда резко возрастает конкуренция за пищевые ресурсы. Образование новых клеток замедляется, а затем совсем прекращается. Увеличение числа клеток компенсируется одновременной гибелью других клеток, поэтому число жизнеспособных клеток остается постоянным (табл. 2.5). Переход к этой фазе обусловлен действием нескольких факторов: снижением концентрации питательных веществ в среде, накоплением токсичных продуктов метаболизма, а в случае аэробных бактерий и уменьшением содержания кислорода в среде.
4. Во время последней фазы — фазы замедления роста — ускоряется гибель клеток и прекращается их размножение.