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

§ 9. Різноманітність прокаріотичних організмів

Які особливості організації прокаріотичної клітини?

Яка будова біологічних мембран?

Що таке біотехнологія?

Ми ознайомилися із загальними особливостями будови та функціонування прокаріотичних організмів. Дослідження цих організмів на молекулярному рівні привело до наукових відкриттів, які стали підґрунтям для поділу прокаріотів на дві групи: Бактерії (Еубактерії) та Археї (Архебактерії).

Бактерії (Еубактерії). Бактерії живуть у ґрунті, воді, повітрі, в інших організмах. Особливості організації зумовлені їхнім пристосуванням до умов, у яких інші організми існувати не можуть. До складу клітинної стінки бактерій входить муреїн, який відносно пористий і не протидіє проникненню малих молекул. Поміж бактерій є види, у яких клітинна стінка містить дуже товстий шар муреїну. Клітинна стінка інших видів містить тонкий шар муреїну, тому вони мають другу, так звану зовнішню мембрану, що розташована зовні від клітинної стінки. У цитоплазмі різних видів містяться включення, які функціонують як структури. До них належать хлоросоми з бактеріохлорофілами в зелених бактерій, фікобілісоми з пігментами в ціанобактерій, магнітосоми в магнетотаксичних бактерій для орієнтування вздовж ліній магнітного поля Землі.

За способом живлення бактерії поділяють на декілька груп. Паразитичні бактерії живляться за рахунок живих організмів і можуть спричинювати захворювання. У людини такими захворюваннями є чума, тиф, туберкульоз, менінгіт, ангіна, ботулізм, газова гангрена (рис. 39).

Рис. 39. Різноманітність паразитичних бактерій

Холерний вібріон Vibrio cholerae

Чумна паличка Yersinia pestis

Золотистий стафілокок Staphylococcus aureus

Збудник виразкової хвороби шлунку Helicobacter pylori

Збудник туберкульозу Mycobacterium tuberculosis

Збудник ботулізму Clostridium botulinum

Проаналізуйте інформацію з інтернет-джерел щодо шляхів зараження, симптомів і впливу на організм зображених бактерій.

Складіть можливий план заходів попередження бактеріальних захворювань.

Сапротрофи живляться органічними рештками відмерлих рослин і тварин, харчовими продуктами людини тощо. Вони спричинюють гниття або бродіння органічних речовин. Автотрофні бактерії - це бактерії, що можуть синтезувати органічні речовини з неорганічних у результаті фотосинтезу (фототрофні, або фотосинтетики) або хемосинтезу (хемотрофні, або хемосинтетики). Поміж фототрофів особливе місце посідають ціанобактерії, про які вже йшлося. На їхніх поодиноких тилакоїдах, які є впинанням плазматичної мембрани, відбувається процес фотосинтезу з виділенням кисню, чим вони подібні до рослин. Фотосинтезувальними пігментами є хлорофіли і фікобіліни. Особливістю фотосинтезу зелених і пурпурних сіркобактерій є те, що він відбувається за участю бактеріохлорофілів в анаеробних умовах, коли кисень не виділяється. Хемотрофні бактерії - сіркобактерії, залізобактерії, нітрифікувальні бактерії, використовують для синтезу енергію хімічних реакцій (рис. 40). Поміж бактерій трапляються як аеробні, так і анаеробні види.

Багато бактерій (спірили, холерний вібріон) здатно до самостійного руху за допомогою джгутиків - такі організми будуть плавальними. Повзальні бактерії - ціанобактерії, сіркобактерії - можуть пересуватися твердим субстратом за допомогою білкових фібрил, які містяться в клітинній оболонці.

Археї (Архебактерії). Спочатку їх було виявлено в екстремальних середовищах, але потім було знайдено в усіх типах екосистем. Деякі з них живуть за дуже високих температур, часто вищих ніж 100 °С, наприклад ті, котрих знайшли в гейзерах (температура +45 ... +113 °С), інших знайдено в дуже холодних середовищах (рис. 41). Археї можуть існувати в надзвичайно солоних водах, зокрема багато з них живе в Мертвому морі та на півдні затоки Сан-Франциско, надаючи їй яскравих кольорів: від червоного до зеленого.

Рис. 40. Хемосинтезувальні бактерії

Залізобактерії. Залізобактерії надають воді характерного іржавого кольору.

Рис. 41 Архея Pyrolobus fumarii

Живуть поблизу підводних гідротермальних джерел за температури 106 С та pH 5,5. ДНК цих мікроорганізмів стабільна за рахунок великого відсотка нуклеотидних пар гуанін-цитозин, а клітина не руйнується внаслідок особливостей будови мембран.

Які корисні копалини утворилися внаслідок життєдіяльності бактерій?

Наразі відкриті археї, які живуть у воді, ґрунті, багато гетеротрофних метаноутворювальних архей знайдено в травних трактах тварин, наприклад, жуйних тварин, термітів та людини (рис. 42), проте не відомі представники цієї групи, які викликали б захворювання. Зазвичай вони є основою функціонування екстремальних екосистем, тому що за способом живлення поміж архей переважають хемосинтетики (рис. 43).

Археї вважаються найдавнішими з прокаріотичних організмів і частково поєднують ознаки бактерій та еукаріотів, що було виявлено лише внаслідок біохімічних, молекулярних та генетичних досліджень. Розміри клітин архей типові для більшості відомих прокаріотів, їх середній діаметр становить близько 1 мкм. Форма клітин архей різноманітна, як у бактерій, хоча трапляються трикутні, прямокутні та квадратні види. Як у всіх прокаріотів, у них немає ядра та мембранних органел. Будова плазматичної мембрани відрізняє архей від інших груп організмів, у першу чергу через особливості ліпідного складу. На відміну від типових для бактерій та еукаріотів фосфоліпідів, утворених за допомогою естерних зв’язків, ліпіди архей утворені етерним зв’язком. Останній є більш хімічно стійким, а тому вважають, що ця особливість пов’язана із пристосуванням таких організмів до екстремальних умов існування. Подібно до бактерій, вони мають клітинну стінку, але її складові мають дещо іншу хімічну структуру. Геном архей представлений кільцевою молекулою ДНК, проте процес реалізації генетичної інформації більш подібний до еукаріотичний організмів. Зокрема, ДНК пов’язана із гістонами, гени архей містять інтрони, а під час дозрівання мРНК відбувається сплайсинг. У той же час унікальною особливістю архей є структура їхніх молекул тРНК та рРНК. Археї погано культивуються в лабораторних умовах, тому багато їх особливостей залишаються не вивченими.

Рис. 42. Гетеротрофні метаноутворювальні археї

Рис. 43. Екосистема «чорних курців»

«Чорні курці» - гідротермальні джерела в рифтових зонах світового океану, температура води яких понад 300 °C, насичена отруйними сполуками сірки та важких металів з кислотністю 2,2-2,8 та дуже високим тиском. Основу харчового ланцюга становлять хемотрофні археї.

У 1977 році американські мікробіологи Карл Воуз та Джордж Фокс, застосовуючи методи молекулярної генетики, виділили археї в окрему групу. Це стало підґрунтям для створення К. Воузом (1990) класифікації організмів у межах трьох доменів: Бактерії, Археї і Еукаріоти.

Ознайомтеся з цією класифікацією, використовуючи інтернет-джерела. Висловіть судження щодо такого погляду на класифікацію організмів.

Біологічна роль прокаріотів. Автотрофні організми е продуцентами, утворюючи первинну органічну речовину. Проте не завжди роль фототрофних прокаріотів є позитивною, зокрема інтенсивне розмноження ціанобактерій спричинює «цвітіння» води. Різноманітна роль гетеротрофних прокаріотів. Паразитичні організми спричиняють захворювання людини, тварин і рослин. Симбіотичні прокаріоти співіснують із грибами, рослинами чи тваринами. Сапротрофні прокаріоти руйнують мертву органічну речовину, перетворюючи її на неорганічні сполуки, доступні для подальшого використання автотрофами, замикаючи колообіг речовин. Значна різноманітність хімічних реакцій, які є основою метаболізму прокаріотів, зумовлює важливу роль їх у багатьох колообігах. Азотфіксувальні та нітрифікувальні бактерії є необхідними для перетворень нітрогеновмісних сполук, сіркобактерії беруть участь у перетворенні сполук Сульфуру, залізобактерії окиснюють ферумвмісні речовини.

Використання прокаріотів людиною. Протягом тисяч років сапротрофні бактерії використовуються для виробництва харчових продуктів (рис. 44). Актинобактерії роду Стрептоміцес дають людині близько половини відомих науці антибіотиків. Бактерії також використовуються в біологічній боротьбі зі шкідниками. Здатність бактерій руйнувати різноманітні органічні сполуки використовують у переробці відходів, збиранні розлитої нафти. Людина навчилася за індикаторними мікроорганізмами, які можуть окиснювати метан і пропан, проводити пошуки нафтових і газових родовищ. Завдяки здатності швидко рости, простій будові геному прокаріоти широко використовуються в генетиці та біотехнології. Завдяки генній інженерії людство використовує бактерії для отримання інсуліну, факторів росту, антитіл тощо. Створюючи мутації в бактеріальній ДНК, учені можуть визначати функцію генів. Сучасні відкриття уможливили використання ферментів архей у молекулярній біології (рис. 45).

Рис. 44. Молочнокислі бактерії та харчові продукти, у виготовленні яких вони використовуються

Рис. 45. Археї та молекулярна біологія

Термостабільна ДНК-полімераза, отримана від Pyrococcus furiosus, уможливила винайдення полімеразної ланцюгової реакції як простого та швидкого методу ампліфікації ДНК (створення багатьох копій).

1. Дайте означення понять бактерії, археї.

2. Порівняйте бактерії та археї.

3. За якими ознаками археї подібні до еукаріотичних організмів?

4. Обґрунтуйте біологічну роль прокаріотичних організмів.

5. У яких галузях людина використовує прокаріотичні організми?

6. Поясніть думку вчених про те, що археї є окремою групою організмів на планеті.