Царство бактерии.

Бактерии – это мельчайшие доядерные (прокариотические) организмы, имеющие клеточное строение. Величина большинства бактерий колеблется от нескольких десятых микрона до 10 – 13 мкм. Бактерии содержаться в воздухе, почве, воде, снегах полярных областей и горячих источниках с температурой около 90⁰С. Особенно много их в почве – от 200 – 500 млн. до 2 млрд. и более на 1 г в зависимости от типа почв, их состояния, глубины расположение слоев.

Формы бактерий разнообразны. Среди них есть шаровидные, называемые кокками, прямые палочковидные – бациллы, изогнутые – вибрионы, спирально изогнутые – спириллы.

Рис. 90. Разнообразие форм бактерий.

Кокки, сцепленные попарно, получили название диплококки, соединенные в виде цепочки – стрептококки или в виде гроздей – стафилококки.

Некоторые бактерии имеют органоиды движения – жгутики (от 1 до 50), которые состоят из особого белка – флагеллина. У одних бактерий они расположены на одном конце клетки, у других – на двух или по всей поверхности. Способ расположения жгутиков является характерным признаком при классификации подвижных бактерий. Бактериальная клетка покрыта оболочкой, которая состоит из плазматической мембраны, клеточной стенки и слизистой капсулы.

Рис. 91. Стафилококки и стрептококки в гное.

Р ис. 92. Строение бактерии: 1. капсула, 2. клеточная стенка, 3. цитоплазмати-ческая мембрана, 4. протопласт, 5. базальное тельце жгутика, 6. жгутик, 7. пили, 8. нуклеоид (цепочка ДНК), 9. мезосомы, 10. рибосомы, 11.вакуоли и включения.

Полупроницаемая цитоплазматическая мембрана обеспечивает избирательное поступление веществ в клетку и выделение в окружающую среду продуктов обмена веществ, а также образует втягивание внутрь цитоплазмы – лизосомы. На мембранах лизосом располагаются окислительно-восстановительные ферменты, а у фотосинтезирующих бактерий – соответствующие пигменты, благодаря чему они способны выполнять функцию митохондрий, хлоропластов или аппарата Гольджи.

Тонкая и эластичная клеточная стенка, в состав которой входит муреин, придает бактериальной клетке определенную форму, защищает содержимое клетки от воздействия неблагоприятных факторов внешней среды и выполняет ряд других функций. Многие виды образуют слизистую капсулу.

В центральной части клетки находится нуклеид, содержащий одну замкнутую в цепочку ДНК, которая контролирует нормальный ход всех внутриклеточных процессов и является носителем генетической информации. Ядрышки у бактерий не обнаружены. Отсутствуют также митохондрии, хлоропласты, комплекс Гольджи и другие мембранные структуры, характерные для всех эукариотических клеток. Однако, в цитоплазме бактериальной клетки имеется огромное количество рибосом (иногда до 20 тыс.). У некоторых лишенных жгутиков водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли. Регулируя количество газов в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на её поверхность, а почвенные – передвигаться в капиллярах почвы.

Запасные вещества бактериальной клетки – полисахариды (крахмал, гликоген), жиры, полифосфаты.

Большинство бактерий бесцветны и только некоторые (зеленые и пурпурные) содержат в цитоплазме пигменты, подобные зеленому хлорофиллу и красному фикоэритрину.

Размножаются бактерии путем простого деления клетки надвое (рис. 93). Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение. В последнее время у некоторых бактерий обнаружены упрощенные формы полового процесса (например, у кишечной палочки) (рис.94).

Рис. 93. Деление грамположительной и грамотрицательной бактерий.

Р ис.94. Конъюгация и перенос F-фактора: 1-репликация, перенос (2) и синтез 2-ой цепи (3). Внизу – микрофотография конъюгации бактерий.

П оловой процесс напоминает конъюгацию, при которой происходит передача генетического материала из одной клетки в другую при их непосредственном контакте. После этого клетки разъединяются. Количество особей в результате полового процесса остается прежним, но происходит обмен их наследственным материалом, то есть осуществляется генетическая рекомбинация.

Небольшой группе бактерий свойственно спорообразование. При этом бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов: в ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность, цитоплазма сжимается и покрывается очень плотной оболочкой.

Споры обеспечивают возможность переносить неблагоприятные условия. Они выдерживают длительное высыхание, нагревание свыше 100 градусов и охлаждение почти до абсолютного нуля. В обычном же состоянии бактерии неустойчивы при высушивании, воздействии прямых солнечных лучей, повышении температуры до 65-80 градусов и т.д. В благоприятных условиях споры набухают и прорастают, образуя новую клетку бактерий.

Рис. 95. Спорообразующие бактерии.

Несмотря на постоянную гибель бактерий, эти примитивные организмы сохранились с древнейших времен благодаря способности к быстрому размножению, образованию спор, чрезвычайной устойчивости разного рода факторам внешней среды, и повсеместному распространению.

По типу питания бактерии делятся на две группы: автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. Реакции синтеза идут с потреблением энергии. В зависимости от того, какую энергию используют автотрофы для синтеза органических веществ, различают фото - и хемосинтезирующие бактерии.

Гетеротрофные бактерии питаются готовыми органическими веществами мертвых остатков (сапротрофы) или живых растений, животных и человека (паразиты). К сапротрофам относятся бактерии гниения и брожения. Первые расщепляют азотосодержащие, вторые углеродсодержащие соединения.

По типу дыхания (по степени потребности в молекулярном кислороде) бактерии делятся на три группы:

Могут жить в той или другой среде, но предпо-читают (интенсивно размножаются) определенную, например, факультативный анаэроб (кишечная палочка)

Живут в бескислородной среде и получают энергия в результате брожения (клостридии)

Используют кислород воздуха для окисления органических веществ (микобактерии туберкулеза)

Рис. 96. Современные виды микроорганизмов – палочковидные бактерии и кокки (микрофотография).

Живут в бескислородной среде и получают энергию в результате брожения (клостридии)

Вопросы:

1. Какое строение имеет бактериальная клетка?

2. Чем отличается бактериальная клетка от растительной клетки?

3. Какие бактерии называют сапрофитами, а какие - паразитами?

4. Как бактерии размножаются?

5. Что происходит с бактериями при наступлении неблагоприятных условий?

§27. Бактерии полезные для человека.

Микроорганизмы имеют большое значение для человека: во-первых, потому, что они играют важную роль в биосфере, во-вторых, потому, что их можно использовать в различных целях. Человек все больше и больше использует бактерии путем создания новых биотехнологий. Своими успехами биотехнология во многом обязана генетикам.

Рис. 97. Клетки Кишечной палочки

Бактерии и плодородие почвы.

Бактерии играют важную роль в плодородии почвы. Благодаря жизнедеятельности бактерий происходит разложение и минерализация органических веществ отмерших растений и животных. Образовавшиеся при этом простые неорганические соединения вовлекаются в общий круговорот веществ, без которого была бы невозможна жизнь на земле. Бактерии вместе с лишайниками, грибами, водорослями разрушают горные породы, участвую тем самым в начальных стадиях почвообразовательных процессов.

Особую роль в природе играют бактерии, способные связывать молекулярный азот, недоступный для высших растений. Населяя почву, такие бактерии обогащают ее азотом. К этой группе относят клубеньковые бактерии, поселяющиеся на корнях бобовых растений. Проникая через корневой волосок в корень, они вызывают сильное разрастание клеток корня в форме клубеньков. На первых порах бактерии живут за счет растения, а затем начинают фиксировать азот с последующим образованием аммиака, а из него нитритов и нитратов. Образовавшихся азотистых веществ достаточно и для бактерий, и для растений. Кроме того, часть нитритов и нитратов выделяется в почву, повышая ее плодородие.

Очистка сточных вод.

В очистных сооружениях бактерии играют почти такую же роль, как и в почве. Они также расщепляют органические вещества, превращая их в безвредные растворимые неорганические соединения.

Бытовые сточные воды предварительно разделяют в специальных отстойниках на жидкую часть и илистый осадок, которые затем перерабатывают в несколько этапов, используя аэробные и анаэробные бактерии.

Метан, образуемый анаэробными бактериями иногда используют как топливо для рабочих механизмов очистных сооружений. После очистки получают очищенную жидкость, которую спускают в реки.

Симбиотические бактерии.

Млекопитающие и другие животные не могут переваривать клетчатку, так как у них нет фермента целлюлозы. Основную же массу пищи, поедаемой травоядными животными, составляет клетчатка.

Однако у них в кишечнике живут симбиотические бактерии и простейшие, переваривающие клетчатку. У кроликов такие бактерии живут в слепой кишке и червеобразном отростке, у коров и овец - в рубце. Косвенным образом эти бактерии служат и человеку, поскольку он использует мясо домашних животных в пищу.

Самое непосредственное отношение к человеку имеет «микрофлора» его собственного кишечника. В кишечнике живут многие бактерии, некоторые из них синтезируют витамины В и витамины К.

Некоторые бактерии, живущие на коже человека предохраняют его от заражения полиогенными организмами.

Бактерии и продукты питания.

Человек широко использует различные бактерии для производства сыра, кефира, простокваши, квашеной капусты, силоса и т.д.

Антибиотики.

Антибиотики используются в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве. Самый богатый источник антибиотиков - организмы живущие в почве. В почве чрезвычайно развита конкуренция между различными обитателями, а антибиотики входят в тот природный «арсенал», который нужен для захвата экологической ниши.

Образцы почв из всех районов мира постоянно анализируют в поисках новых сильнодействующих антибиотиков.

Одним из самых продуктивных источников антибиотиков служит род Стрептомицин. У представителей этого рода обнаружено свыше 500 антибиотиков. Свыше 50 таких антибиотиков широко применяется в практике. Так открытие стрептомицина позволило расширить круг заболеваний, которые можно лечить этим препаратом.

Например: в отличие от пенициллина стрептомицин действует на туберкулезную палочку.

Новые источники питания.

В последние годы появился новый источник пищи; это так называемый белок одноклеточных, который получают из микроорганизмов. Белок одноклеточных можно использовать на корм скоту вместо продуктов, которые могут быть использованы людьми. Много зерна скармливают животным, а замена этих кормов на белок одноклеточных поможет сохранить эти продукты.

Для выращивания микроорганизмов не нужно больших площадей, они растут на бумаге, нефтепродуктах, на побочных продуктах сельского хозяйства.

Генная инженерия.

Термин «генная инженерия» возник в связи с появлением возможности проводить прямые манипуляции с индивидуальными генами. Одно из достижений генной инженерии - это перенос генов, кодирующих синтез инсулина у человека, в клетки бактерий. С тех самых пор, как выяснилось, что причиной сахарного диабета является нехватка гормона инсулина, всем больным диабетом стали давать инсулин, который получали из поджелудочной железы после забоя животных. В настоящее время удалось успешно перенести гены человеческого инсулина в клетку бактерий и началось промышленное получение этого гормона.

Бактерии широко применяются как «фабрики» для производства целого ряда таких продуктов как гормоны, ферменты и т.д. Не исключено, что полезные гены прокариот удастся включить в ДНК эукариотических клеток, например, ввести гены азотофиксирующих бактерий в клетки сельскохозяйственных растений. Это позволило бы резко уменьшить или даже совсем обойтись без внесения в почву нитратных удобрений на которые расходуются большие средства, и которыми загрязняются близлежащие водоемы.

Биологический контроль.

Определенные виды бактерий заражают и вызывают гибель гусениц некоторых бабочек и личинок. На других животных и на растения они не действуют. А это значит, что это идеальное средство для борьбы со многими серьезными вредителями растений. Препараты таких бактерий используют для опыления посевов.

Вопросы:

1. В чем значение бактерий в природе ?

2. Что вы знаете о клубеньковых растениях ?

3. Как человек использует молочнокислые бактерии ?

4. Почему без деятельности бактерий жизнь на земле была бы невозможна ?