Раздел II cистематический обзор органического мира

Все живые организмы на Земле объединены систематиками в две империи: неклеточные организмы и клеточные организмы. Империя неклеточные организмов включает в себя единственное царство – Вирусы. Империю клеточные организмы делят на две подимперии: доядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты).

В подимперии прокариоты выделяют два царства: архебактерии и эубактерии (настоящие бактерии).

Подимперия доядерные организмы. Царство настоящие бактерии

Эубактерии возникли около 3,5 млрд лет тому назад. Это микроскопически мелкие организмы, обладающие клеточным строением. Размеры их от 0,1 до 10 мкм, т. е. видны только под микроскопом.

Среда обитания бактерий: вода, воздух, почва, лед, организмы растений, животных и человека. Бактерии обнаружены в горячих источниках с температурой выше 78 ⁰С; около глубоководных вулканических кратеров – при температуре около 360 ⁰С и высоком давлении. Разнообразные бактерии обнаружены в Антарктиде в образцах пород и льда, взятых с глубины более 430 м. При температуре от -77 ⁰С до -14 ⁰С они пребывают в состоянии покоя, но при повышении температуры становятся активными. Некоторые бактерии способны жить и размножаться в щелочной среде при рН=11.5. Однако большинство бактерий не выживают в кислой среде, вот почему уксусная кислота хорошо защищает пищу от бактериального заражения.

Некоторые бактерии являются облигатными (обязательными) анаэробами, т.е. живут только в бескислородной среде. Другие – факультативные (необязательные) анаэробы – могут существовать без кислорода, но лучше развиваться в его присутствии. Есть бактерии – аэробы.

Строение бактерий. По форме бывают бактерии шаровидные (кокки), палочковидные (бациллы) и спиралевидные. Спиралевидные формы делятся на вибрионы (в виде запятой) и спириллы (в виде спирали).

Некоторые бактерии способны соединяться в цепочки, группы, скопления. Например, кокки, соединясь по две, образуют диплококки, цепочками – стрептококки, в виде грозди винограда – стафилококки. Палочковидные бактерии имеют форму цилиндра (трубочки) с заостренными или закругленными концами (рис. 21).

Бактерии могут быть бесцветными или окрашенными. Окраска их обусловлена пигментами: желтыми и красными каратиноидами, фикоцианином (синий цвет), фикоэритрином (красный цвет), хлорофиллом (зеленый цвет).

Тело бактерий, как и у любой клетки, представлено цитоплазмой, окруженной мембраной. Мембрана полупроницаема и снаружи покрыта клеточной стенкой, которая придает форму бактериям и выполняет защитную функцию.

Матрикс бактериальных оболочек состоит из дисахаридов, связанных короткими цепочками аминокислот. У некоторых видов бактерий этот слой окружают липосахариды. У ряда бактерий в оболочке обнаружен полисахарид муреин, образующий особый слой переплетенных нитей, называемый гликокаликсом. За счет этого слоя бактериальные клетки способны к адгезии (прилипанию) к различным субстратам, что играет ключевую роль в процессе распространения бактериальной инфекции. Так, благодаря ферментативным реакциям, протекающим в гликокаликсе, некоторые бактерии могут поселяться на неповрежденной зубной эмали.

У ряда бактерий клеточная оболочка покрыта желатинообразной капсулой, которая формируется самой клеткой и выполняет защитную функцию.

Некоторые бактерии имеют тонкие длинные прочные спиралевидные жгутики. Их может быть один или несколько. Они могут равномерно распределяться по всей поверхности бактериальной клетки или прикрепляться к одному или обоим концам. Каждый жгутик состоит из одной молекулы белка-флагеллина. Совершая вращательные движения, жгутики способствуют перемещению бактерий путем «пробежек» и «кувырканий». У нитчатых цианобактерий и у бактерий, лишенных жгутиков, перемещение может происходить путем скольжения.

В цитоплазме бактерий обнаружено большое количество рибосом, мезосомы, гранулярные включения и, как правило, два участка, где концентрируется ДНК. В каждом участке находится одна молекула кольцевой двухцепочечной ДНК. У бактерий нет сформированного ядра и мембранных органелл (рис. 22).

Несмотря на простоту строения, бактерии реагируют на определенные раздражители движением в сторону раздражителя или от него (положительный или отрицательный таксис). Подвижные бактерии способны перемещаться к химическим агентам (хемотаксис), обладая специфической чувствительностью к различным питательным веществам, например, сахарам. У ряда бактерий описаны фототаксисы, аэротаксисы, магнитотаксисы.

По способу питания бактерии делят на автотрофов и гетеротрофов. Гетеротрофы не способны синтезировать органические соединения из простых неорганических, а должны получать их в готовом виде. Самая большая группа гетеротрофных бактерий – это сапрофиты (сапробионты). Они питаются «мертвым» органическим материалом и ответственны за разложение и кругооборот органического вещества в почве. Автотрофные бактерии делят на две группы: фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. К группе фотосинтезирующих бактерий относят цианобактерии, зеленые серобактерии, пурпурные серобактерии. Подобно растениям, они содержат хлорофилл и могут использовать энергию солнца для первичного синтеза. Фотосинтез у цианобактерий сходен с процессами фотосинтеза у эукариот. Фотосинтезирующие серные бактерии нуждаются в сероводороде или других соединениях серы, поэтому обитают в среде, содержащей большое количество разлагающегося органического материала со специфическим запахом серы.

Хемосинтезирующие бактерии получают энергию, необходимую для синтетических реакций, путем окисления неорганических веществ (азота, серы, соединений железа).

Основной способ размножения бактерий – бесполый (амитотическое деление надвое). При благоприятных условиях оно происходит каждые 25-30 минут. Во время деления плазматическая мембрана и клеточная оболочка впячиваются, в конце концов перешнуровывая клетку пополам. Возможно и половое размножение – конъюгация. Происходит сближение двух клеток и образование между ними цитоплазматического мостика, по которому осуществляется обмен частью ДНК. Затем цитоплазматический мостик разрушается и клетки расходятся. Количественного увеличения клеток не происходит, но в каждой бактерии обновляется наследственный материал, что повышает их приспособленность к условиям среды. Половой процесс у бактерий происходит обычно при неблагоприятных условиях и чередуется с бесполым способом.

Некоторые бактерии образуют эндоспоры, т.е. споры внутри клетки. Это толстостенные образования, устойчивые к высоким и низким температурам, коротковолновым излучениям. Они по-разному располагаются в различных бактериальных клетках и служат поэтому систематическим признакам. Если такая устойчивая структура образуется из целой клетки, то ее называют цистой. Стойкие споры цианобактерий называют акинетами. Они принципиально отличаются от эндоспор тем, что представляют собой увеличенные вегетативные клетки, вокруг которых сформировалась плотная оболочка. Споры и цисты помогают бактериям пережить неблагоприятные условия, сохранить вид. Они могут прорасти (перейти в вегетативную форму) через десятки и даже сотни лет.

Особое место среди бактерий занимает группа цианобактерий, которую раньше относили к сине-зеленым водорослям. Цианобактерии образуют нити длиной до одного метра и более и способны нарастить большую биомассу. Некоторые из них являются одноклеточными, и очень немногие образуют округлые колонии. Подобно другим нитчатым и колониальным формам бактерий, цианобактерии прикрепляются друг к другу только оболочками или желатиноподобными капсулами, поэтому каждая клетка ведет самостоятельную жизнь.

Цианобактерии, обитающие в поверхностном слое пресных и морских водоемов, образуют сообщества микроскопических организмов, называемых планктоном. Как правило, эти микроорганизмы имеют прозрачные, неправильной формы структуры – газовые вакуоли. Эти вакуоли регулируют плавучесть организмов и позволяют им оставаться в толще воды. Когда цианобактерии теряют способность регулировать свою плотность, например, при резких перепадах температуры или нарушениях кислородного обмена, они всплывают на поверхность и вызывают «цветение» воды. При этом некоторые цианобактерии выделяют химические вещества, токсичные для других организмов и приводящие к их массовой гибели. Многие цианобактерии могут фиксировать атмосферный азот или образуют слоистые меловые структуры – строматолиты.

Значение бактерий.

Полезное – участвуют в круговороте веществ в природе, в образовании гумуса, используются в очистке сточных вод, переваривают клетчатку в кишечнике травоядных животных; участвуют в образовании витамина К в кишечнике человека; используются в промышленности при получении масла, сыра, уксуса, спирта, силоса, антибиотиков, кормовых белков, ферментов; являются объектами научных исследований.

Вредное – портят пищевые продукты, нанося экономический урон; вызывают заболевания у растений, животных и человека.

Подсчитано, что бактериальные болезни растений (ожог, мягкая гниль, увядание и др.) приводят к потерям 1/8 части урожая всех культурных растений земного шара.

У людей выявлено большое число заболеваний, вызываемых бактериями. Возбудители одних болезней передаются воздушно-капельным путем (пневмонии, коклюша, дифтерии, скарлатины, туберкулеза), других – через пищу и воду (брюшного тифа, дизентерии и др.)