МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

(раздел: бактерии, грибы, растения)

КРАСНОЯРСК 2002

Решеткова Н.Б.

Лабораторный практикум по естествознанию (раздел: бактерии, грибы, растения)

Красноярск: КГПУ,2002 с.

Предлагаемое учебное пособие состоит из трех частей, содержит развернутый план лабораторных работ, теоретический материал, необ­ходимый для их выполнения, и рабочую тетрадь. Уровень подробности теоретического материала связан с изложенияем этих вопросов в лек­ционном курсе. В связи с небольшим объемом аудиторных часов и не­обходимостью рационально использовать время лабораторных занятий в соответствии с пособием разработана рабочая тетрадь. Использование пособия вместе с рабочей тетрадью позволяет самостоятельно изучить любую тему.

Пособие предназначено для студентов факультетов начальных классов как очного, так и заочного отделений педагогических вузов и училищ.

Рецензенты: Васильев А.Н., д.б.н., доцент

Кузьмина Г.П., к. с.-х. н., ст. н.

Отв. за выпуск/: Автушко О.А. к.п.н., доцент

Лицензия ЛР N 040308

С Красноярский педагогический университет, 2002

Введение

В этом пособии рассматриваются три группы организмов - бакте­рии, грибы и растения. Положение этих групп в системе органическо­го мира может определяться по-разному. Это зависит от того, какие признаки положены в основу классификации. Так, например, если в основу деления положить способ питания, то все организмы делятся на две группы: к первой относятся растения и некоторые бактерии, способные к фотосинтезу и хемосинтезу (автотрофы), ко второй - жи­вотные и большинство бактерий (гетеротрофы). Если классифицировать по признаку наличия клеточной стенки, то в одну группу попадают бактерии, грибы и растения, а в другую - животные. Появление новых научных фактов приводит к пересмотру системы органического мира.

В настоящее время мало у кого вызывает возражение деление ор­ганического мира на прокариотов и эукариотов. Прокариоты отличают­ся от всех остальных живых существ отсутствием оформленного ядра - ДНК лежит в их клетке свободно; у них нет митохондрий и других ор­ганелл; клеточная стенка включает особое вещество - муреин, кото­рое не было обнаружено ни у одной другой группы организмов. К про­кариотам относится царство дробянки, включающее бактерии и сине­зеленые водоросли (цианобактерии).

У всех остальных организмов, как одноклеточных, так и много­клеточных, имеется настоящее ядро, окруженное ядерной мембраной и тем самым отграниченное от цитоплазмы. Такие организмы называют эукариотами. К ним относят три царства - животные, растения и гри­бы (хотя в некоторых учебниках, учебных пособиях и в научно-попу­лярной литературе грибы все еще по традиции считают растениями, целый ряд признаков обусловливает выделение их в отдельное царст­во).

Некоторыми современными авторами выделяется еще пятое царство, которое они, вслед за Э. Геккелем, называют протистами и в ко­торое включают низшие эукариотные организмы - простейшие животные, водоросли и примитивные низшие грибы.

В нашей работе мы придерживаемся классификации живых организмов, предложенной в многотомном издании "Жизнь растений" [10],

изображенной на схеме (рис. 1), согласно которой органический мир состоит из четырех царств.

Основной структурной единицей всех организмов является клетка. И только вирусы - особая группа организмов, не имеющих клеточного строения.

PROCARYOTA - ДОЯДЕРНЫЕ

ДРОБЯНКИ

Бактерии

Сине-зеленые водоросли

EUCARYOTA – ЯДЕРНЫЕ

ЖИВОТНЫЕ

Простейшие

Многоклеточные животные

ГРИБЫ

Низшие грибы

Высшие грибы

РАСТЕНИЯ

Настоящие

водоросли

Высшие растения

Рис. 1. Схема классификации живых организмов, или четыре царства органического мира

БАКТЕРИИ

Бактерии относятся к прокариотам. Это самые маленькие, про­стые по строению и наиболее распространенные на Земле организмы. Диаметр бактериальной клетки в среднем составляет 1 мкм, поэтому их можно увидеть только в микроскоп. Чаще всего бактерии живут как одноклеточные организмы, хотя некоторые виды бактерий могут образо­вывать нити или скопления из нескольких клеток.

По форме бактерии можно отнести к четырем основным типам: кокки (сферические), бациллы (палочковидные), спириллы (спирале­видные) и вибрионы (короткие палочки, всегда изогнутые в виде за­пятой). Кокки после деления могут образовывать пары (диплококки), цепочки (стрептококки), или собираться в грозди (стафилококки) (табл. 1, рис. 1 – 9)¹

Среди структур бактериальной клетки можно выделить:

основные структуры – клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму с различными цитоплазматическими включениями и нуклеоид;

временные структуры, которые клетка несет лишь на определенных этапах жизненного цикла, - капсулу, жгутики, у некоторых представителей бактерий – эндоспоры.

Клетка бактерий одета плотной оболочкой – клеточной стенкой, которая придает клетке определенную форму и жесткость. Внутри бактериальной клетки осмотическое давление в несколько раз, а иногда и в десятки раз выше, чем во внешней среде. Поэтому клетка быстро разорвалась бы, если бы не была защищена такой плотной, жесткой структурой, как клеточная стенка. Эта плотная оболочка роднит бактерии с растительными клетками, которые также имеют плотную оболочку.

Основным компонентом, придающим жесткость клеточной стенке растений, является целлюлоза, а основой жесткой структуры бактериальной клеточной стенки является муреин – органическое соединение сложного строения, в состав которого входят сахара, несущие азот (аминосахара и 4–5 аминокислот). Клеточная стенка проницаема: через нее питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена выходят в окружающую среду. Крупные молекулы с большим молекулярным весом не проходят через оболочку.

Как и у всех клеток, внешний липопротеидный слой протопласта бактерий называется цитоплазматической мембраной. По структуре и функциям цитоплазматическая мембрана бактерий не отличается от мембран эукариотических клеток. У некоторых бактерий плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки и образует особые мембранные структуры, называемые мезосомами. Эти структуры выполняют у бактерий самые различные функции. Одни из этих структур – аналоги митохондрий. Другие выполняют функции эндоплазматической сети или аппарата Гольджи. Путем инвагинации цитоплазматической мембраны образуется также фотосинтетический аппарат бактерий.

В цитоплазме бактерий содержатся рибосомы – центры синтеза белка в клетке. В цитоплазме многих бактерий содержатся включения, состоящие из соединений, которые служат источником энергии и углерода. Это могут быть капельки жира, гранулы крахмала, гликогена или волютина – запасного вещества, включающего остатки фосфорной кислоты.

В центральной части клетки локализовано ядерное вещество – ДНК. У бактерий нет такого ядра, как эукариотов, а есть его аналог – нуклеоид, который является эволюционно более примитивной формой организации ядерного вещества. На основании этого признака все бактерии и относят к прокариотам. Нуклеоид бактерий не обладает мембраной и представляет собой одну кольцевую молекулу ДНК.

Клеточная стенка многих бактерий окружена слоем слизистого материала – капсулой. Капсула не является обязательной частью клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии, и служит дополнительным защитным покровом. Так, например, инкапсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме человека и вызывают воспаление легких, а некапсулированные штаммы легко атакуются и уничтожаются фагоцитами, поэтому совершенно безвредны. Слизистые вещества, выделяемые в субстрат некоторыми бактериями, обусловливают слизисто-тягучую консистенцию некоторых испорченных пищевых продуктов.

Некоторые бактерии способны к образованию эндоспор, т.е. спор, находящихся внутри клетки (табл. 1, рис. 10). Эндоспоры следует рассматривать как стадию покоя в жизненном цикле клетки, связанную обычно с действием неблагоприятных факторов среды, которые проявляются при достижении бактериальной культурой определенного возраста. Так, переход бактерий к спорообразованию наблюдается при истощении питательного субстрата, недостатке углерода, азота, изменении рН, повышении содержания кислорода и т.д. В состоянии спор микроорганизмы обладают весьма высокой устойчивостью к действию неблагоприятных факторов. Они выдерживают относительно высокие и низкие температуры, длительное высушивание, воздействие радиации, токсичных веществ и т.д. Нередко споры бактерий сохраняют жизнеспособность в течение сотен и даже тысяч лет. При попадании в благоприятные условия споры прорастают в вегетативные клетки

Многие бактерии подвижны, что связано с наличием у них одного или нескольких жгутиков (табл. 1, рис. 11). Расположение и число жгутиков на поверхности клеток разных видов бактерий различно: один жгутик на одном из полюсов, пучок жгутиков на одном полюсе, по одному жгутику на обоих полюсах, масса жгутиков по всей поверхности клетки. Жгутики бактерий по характеру работы подобны корабельному винту. Если клетка несет много жгутиков, они при движении собираются в пучок. Относительно своих размеров бактерии передвигаются очень быстро – за одну секунду они преодолевают расстояние, примерно равное двадцатикратной величине самой бактериальной клетки.

Большинство бактерий размножается путем бинарного поперечного деления клетки. Скорость размножения прокариот огромна. Период от одного деления клетки до другого при благоприятных условиях для многих бактерий составляет 15-20-30 минут. За 24 часа у бактерий сменяется столько поколений, сколько у человека за 5000 лет. Столь высокие темпы размножения прокариот способствуют их быстрому расселению на планете.

Процессы обмена веществ, способы добывания энергии и питания у бактерий чрезвычайно разнообразны. В отличие от растительных и животных организмов, имеющих один вполне определенный тип питания – соответственно автотрофный и гетеротрофный, бактерии характеризуются многообразием типов питания. Большинство бактерий – гете­ротрофы, они не способны синтезировать органические соединения из простых неорганических молекул, а должны получать их в готовом виде. Гетеротрофные микроорганизмы подразделяют на сапрофитов и паразитов. Самая большая группа гетеротрофных бактерий – сапрофиты (или сапробионты). Им принадлежит роль санитаров нашей планеты. Питаясь «мертвым» органическим веществом, сапрофитные бактерии в совокупности с другими группами микроорганизмов являются редуцентами и выполняют огромную по масштабам хи­мическую работу. При их участии происходит разложение сложных ор­ганических веществ – растительных и животных остатков – до простых минеральных соединений, которые вновь ассимилируются растениями, а затем поступают в организм животного. Таким образом на Земле осуществляется кру­говорот жизненно необходимых элементов: углерода, азота, серы, фосфора и др., и бактерии являются важнейшим звеном в этом процессе. Паразиты живут за счет органических веществ живой клетки.

Другие бактерии все потребности в углероде, необходимом для синтеза органических веществ тела, удовлетворяют исключительно за счет углекислоты. Они называются автотрофами.

Некоторые группы автотрофных бактерий обладают пигментом и способны к фото­синтезу. Суть процессов бактериального фотосинтеза и фотосинтеза растений принципиально одинакова и заключается в превращении световой энергии, поглощаемой фотосинтетическими пигментами, в биохимическую энергию макроэргических связей (АТФ) и далее использование этой энергии для усвоения и восстановления углекислого газа до соединения типа углеводов. По химизму фотосинтез бактерий отличается от фотосинтеза растений. При фотосинтезе растений донором электронов является вода, и процесс фотосинтеза обязательно сопровождается выделением кислорода. В процессе фотосинтеза бактерий в качестве доноров электронов выступают различные соединения: сероводород, элементарная сера, молекулярный водород, сульфит и другие вещества. Кислород при фотосинтезе бактерий не выделяется.

Другие автотрофные бактерии получают энергию, необходимую для синтеза органических веществ из углекислоты, за счет окисления кислородом неорганических соединений, таких как сера, аммиак, соединения железа, водорода и др. Процесс синтеза органических веществ из минеральных за счет энергии окисления неорганических веществ назы­вается хемосинтезом и обнаружен только у некоторых групп бактерий. Так, например, нитрифицирующие бактерии получают энергию для процесса хемосинтеза, окисляя аммиак до нитритов и нитратов. Количество хемосинтезирующих бактерий сравнительно невелико, однако по своей геохимической деятельности эти микроорганизмы весьма интересны.

Каждый организм для поддержания жизни и осуществления процессов, совокупность которых составляет обмен веществ, нуждается в постоянном и непрерывном притоке энергии. Фотосинтезирующие бактерии используют в качестве источника энергии солнечный свет. Подавляющее большинство бактерий получают энергию за счет окислительно-восстановительных процессов, типы которых в мире бактерий исключительно разнообразны. Автотрофные бактерии (например, хемосинтетики) способны окислять кислородом неорганические вещества. Гетеротрофные бактерии могут получать энергию при окислении органических веществ кислородом в процессе дыхания (аэробы) или без участия кислорода в процессе брожения (анаэробы). Эти микроорганизмы могут окислять любые имеющиеся в природе органические вещества, Если бы в природе существовало какое-либо органическое вещество (продукт животного или растительного происхождения), которое не могло бы быть окислено каким-либо микробом, то оно неизбежно накапливалось бы на поверхности Земли, а этого не происходит. Только в недрах, изолированных от кислорода, могут сохраняться органические вещества – нефть, уголь.

Процесс дыхания заключается в том, что угле­воды (или белки, жиры и другие запасные вещества клетки) разлага­ются, окисляясь кислородом воздуха, до углекислого газа и воды. Выделяющаяся при этом энергия расходуется на поддержание жизнедея­тельности организма, рост и размножение. Дыхание является самой совершенной формой окислительного процесса и наиболее эффективным способом получения энергии. Главное преимущество дыхания состоит в том, что энергия окисляемого вещества – субстрата, на котором микроорганизм растет, используется наиболее полно.

Брожение – эволюционно наиболее древний и примитивный способ получения энергии, при котором происходят окислительно-восстановительные превращения органических соединений в анаэробных условиях без участия молекулярного кислорода. Брожение никогда не приводит к полному окисле­нию органических веществ, энергии при брожении выделяется значи­тельно меньше, чем при дыхании. Брожение известно людям с незапа­мятных времен; тысячелетиями человек пользовался спиртовым броже­нием при изготовлении вина, еще раньше было известно о молочнокис­лом брожении. При спиртовом брожении углеводы окисляются с образованием этилового спирта, углекислоты и выделением энергии. При молочнокислом брожении конечным продуктом является молочная кислота. Сквашивание молока, приготовление простокваши, кефира, квашение овощей – все это результаты молочнокислого сбраживания сахара молока или углеводов растений.

Чрезвычайно малые размеры и разнообразие обменных процессов обусловили повсеместное распространение бактерий. Практически тру­дно найти место, где они не живут: в почве, пыли, воде, воздухе, на растениях и животных, внутри организмов, в находящихся глубоко под поверхностью земли нефтяных пластах, и в атомных реакторах. Некоторые группы бактерий в силу специфики обмена веществ способны выжить там, где никакой другой организм существовать не может. Микроорганизмы имеют большое значение для человека: во-первых, потому, что они играют важную роль в биосфере, и, во-вторых, потому, что их можно преднамеренно использовать в нужных целях. Существование современного общества трудно представить без использования им продуктов, получаемых с помощью микробов.

К прокариотным организмам относят также цианообактерии, которые ранее рассматривали как отдел сине-зеленых водорослей. Считается, что цианобактерии (сине-зеленые водоросли) – старейшая группа среди автотрофных организмов, использующих в процессе фотосинтеза воду в качестве донора электронов и выделяющих в атмосферу кислород.

Немногие цианобактерии растут в виде отдельных кле­ток, большинству из них свойственно образование колоний или многоклеточ­ных нитей (табл. 2).

Подобно другим прокариотам, у цианобактерий нет оформленного ядра. Сине-зеленая окраска этих организмов зависит от содер­жания (кроме хлорофилла) синего пигмента – фикоцианина, красного пигмента –фикоэритрина и оранжевого – каротина.

Цианобактерии живут главным образом в пресных водах, обычны они на поверхности и внутри почвы, но могут обитать и в крайне неблагоприятных условиях – от горячих источников до замерзающих озер Антарктики.