Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 10 клас. Андерсон - Нова програма

§ 8. Прокаріоти — найдавніші організми на планеті

Що таке клітина?

Які складові клітини?

Які групи організмів виокремлюють за особливостями будови клітини?

На початку архейської ери вже існувало життя, про що свідчить насамперед склад гірських порід, які мають вік приблизно 3 млрд років. Вони містять велику кількість графіту з решток органічних сполук, які входили до складу організмів - прокаріотів. До нашого часу багато прокаріотів дожило, не змінюючись.

Середовище існування та рівень організації. Нині прокаріотичні організми населяють усі середовища існування на планеті, навіть із дуже екстремальними умовами (рис. 32). Кількість бактерій в 1 г ґрунту може досягати сотень мільйонів і навіть кількох мільярдів, а 1 мл води містить від 5 до 100 тис. бактеріальних клітин. Багато видів бактерій живе в інших організмах. Це група одноклітинних і колоніальних організмів.

Прокаріоти - це мікроскопічні клітинні організми, які не мають сформованого ядра та мембранних органел. До них належать археї та бактерії.

Середні розміри цих істот становлять від 0,1 до 10 мкм, проте є свої «гіганти» - спірохети можуть мати довжину 500 мкм і бути видимими неозброєним оком (рис. 33).

Найменшими вільноживучими бактеріями є мікоплазми (лише 0,12-0,15 мкм), які приблизно однакові за розміром з найбільшими вірусами.

Рис. 32. Архебактерія Sulfolobus

Це екстремофільний організм, що мешкає у гарячих джерелах із високою кислотністю та умістом сполук Сульфуру.

Рис. 33. Бактерія Thiomargarita namibiensis

Це найбільша з відкритих бактерій, яка в діаметрі має 0,75 мм.

Деякі вчені вважають, що колоніальні форми прокаріотів можна вважати нитчастими багатоклітинними організмами. Обґрунтуйте власну позицію з цього питання, опрацювавши його за допомогою інтернет-джерел.

Дрібний розмір важливий для прокаріотів, тому що пришвидшує транспортування поживних речовин і виділення продуктів обміну через поверхню клітини. Прокаріоти відзначаються простотою форми, і всю їх різноманітність за цією ознакою можна звести до декількох груп: кулясті, паличкоподібні, звивисті і нитчасті. Кулясті прокаріоти - коки - можуть розташовуватися поодиноко (мікрококи), парами (диплококи), ланцюжками (стрептококи), скупченням клітин у вигляді виноградного грона (стафілококи). Поміж паличкоподібних прокаріотів часто вирізняють бацили і клостридії, а поміж звивистих - вібріони (у вигляді коми), спірили (у вигляді спіралі у 2-3 оберти) і спірохети (у вигляді спіралі більше ніж у 3 оберти).

Будова клітини. Прокаріотичні клітини складаються з поверхневого апарату, цитоплазми та нуклеоїду (рис. 34). Однією з основних відмінностей клітини прокаріотів від клітини еукаріотів є відсутність ядерної мембрани: ДНК бактерій міститься в нуклеоїді - особливій зоні цитоплазми клітини. Зовні клітини розташована клітинна стінка, яка забезпечує її структурну цілісність і захист. У багатьох прокаріотів клітинна стінка ззовні оточена шаром слизової речовини, який дістав назву капсули. Вона захищає клітини від висихання, механічних ушкоджень, перешкоджає проникненню вірусів, забезпечує зв’язок між сусідніми клітинами в колоніях тощо. До структур поверхневого апарату прокаріотичної клітини також належать ворсинки (пілі) і джгутики. Ворсинки - це невеликі порожнисті вирости клітини, які забезпечують її прикріплення до різних організмів і субстрату. На поверхні тіла багатьох прокаріотів є джгутики - органели руху, які забезпечують пересування клітин у просторі.

Обов’язковим компонентом поверхневого апарату прокаріотичної клітини є плазматична мембрана.

Рис. 34. Схема будови прокаріотичної клітини на прикладі бактерії

Поясніть особливості будови бактеріальної клітини.

За хімічним складом мембрана є білково-ліпідною. У мембранах багатьох прокаріотів виявлено специфічні ліпіди, яких немає в мембранах еукаріотів. Усередині клітини деяких прокаріотів формуються внутрішньоклітинні вип’ячування мембрани з упорядкованим розташуванням ферментів і фотосинтезувальних пігментів. У цитоплазмі прокаріотичних клітин є такі структурні елементи, як рибосоми, цитоскелет, плазміди, включення. Рибосоми - це немембранні органели, які забезпечують синтез білків. За структурою рибосоми прокаріотів і еукаріотів подібні, однак рибосоми прокаріотів мають менші розміри. Цитоскелет виконує багато функцій, здебільшого відповідаючи за форму клітини та за внутрішньоклітинне транспортування. У клітинах багатьох прокаріотів поряд з нуклеоїдом містяться позахромосомні кільцеві молекули ДНК, що дістали назву плазмід. З їх допомогою бактеріальні клітини здатні обмінюватися деякими генами, що має важливе значення в забезпеченні їхньої пристосованості до умов існування.

Життєдіяльність. Для прокаріотів характерна різноманітність у типах і способах живлення. Переважна більшість прокаріотів є гетеротрофами, які живляться органічними сполуками відмерлих решток (сапротрофи), живих організмів (паразити) або завдяки співіснуванню (симбіотрофи). Поміж автотрофних прокаріотів є фотосинтетики (рис. 35), які використовують енергію світла для синтезу органічних речовин, і хемосинтетики, джерелом енергії для яких є реакції окиснення неорганічних сполук (рис. 36).

За типом дихання прокаріоти поділяють на аеробів та анаеробів. Аероби - це організми, які для дихання використовують молекулярний кисень атмосфери, а організми, які можуть жити без доступу атмосферного кисню, є анаеробами. Прокаріоти здатні до повзального або плавального руху. Відповідь на подразнення в них виявляється у вигляді таксисів - рухів у напрямку від подразника або до нього, наприклад, хемотаксис, фототаксис тощо.

Рис. 35. Мікрофотографія ціанобактерії Носток

Унаслідок фотосинтезу ціанобактерій виділяється молекулярний кисень.

Поясніть значення фотосинтезу ціанобактерій для виникнення та існування життя на планеті.

Рис. 36. Корінь бобової рослини з бульбочками, які утворені азотфіксувальними бактеріями - хемосинтетиками

Азотфіксувальні бактерії здатні засвоювати безпосередньо з атмосфери молекулярний азот, який надходить в екосистему в доступній для засвоєння рослинами формі.

До складу яких органічних молекул входить Нітроген?

Згадайте роль цих речовин у життєдіяльності організмів.

Найчастіше прокаріоти розмножуються нестатевим поділом клітини навпіл (бінарний поділ) або ж множинним поділом (ціанобактерії) (рис. 37). Цим організмам властивий високий темп розмноження. За сприятливих умов час, упродовж якого відбувається поділ клітини, для багатьох видів коливається в межах від 15 до 30 хвилин. У прокаріотів відсутнє статеве розмноження, проте існує статевий процес, який полягає в обміні між різними організмами генетичною інформацією. Це відбувається під час процесу, що називають бактеріальною кон’югацією - обміну ділянками ДНК (плазмідами) через цитоплазматичні місточки між клітинами.

Несприятливі умови прокаріоти переживають за допомогою спор - клітин з пониженим метаболізмом, оточених багатошаровою оболонкою, стійких до впливів, нищівних для звичайних клітин (рис. 38). Спороутворення слугує як для переживання несприятливих умов, так і для розселення бактерій. Спори можуть витримувати високі рівні ультрафіолетового випромінювання, гамма-випромінювання, дезінфікуючих засобів, нагрівання, тиску і висушування, а в деяких випадках - можуть виживати навіть у космічному просторі.

Незважаючи на відносну простоту будови, прокаріотичні мікроорганізми є складними саморегулювальними системами. Залежно від умов існування, у них можуть активуватися (або ж навпаки гальмуватися) ті чи інші гени. Унаслідок цього їхні клітини здатні синтезувати ферменти, які перетворюють сполуки навколишнього середовища, й у такий спосіб адаптуватися до його змін. Така адаптивність, різноманітні способи живлення, швидкі розмноження та ріст, здатність переживати несприятливі умови у вигляді спор, високий ступінь генетичної мінливості зумовлюють збереження та існування прокаріотів у природі. Тому ці найменші організми населяють усю планету.

Рис. 37. Схема розмноження (бінарний поділ клітини)

Рис. 38. Спори бактерій

Спори Geobacillus stearothermophilus, утворені внаслідок дії високих температури і тиску, можна бачити міцну оболонку та внутрішній вміст спор.

Опишіть розмноження бактерії, використовуючи схему.

1. Дайте означення поняття прокаріоти.

2. Опишіть особливості будови прокаріотичних організмів.

3. Схарактеризуйте процеси життєдіяльності прокаріотів.

4. Поясніть стратегію виживання прокаріотичних організмів.