Підручник з Біології і екології. 10 клас. Остапченко - Нова програма

§ 13. ОСОБЛИВОСТІ ФУНКЦІОНУВАННЯ ПРОКАРІОТИЧНИХ КЛІТИН

Пригадайте, який процес називають хемосинтезом. Як відбувається процес фотосинтезу в зелених рослин?

Особливості функціонування прокаріотичних клітин. Ви вже знаєте, що серед прокаріотів є автотрофи і гетеротрофи. Серед гетеротрофів виділяють сапротрофів, симбіотрофів і паразитів. Серед автотрофів є як фототрофи (зелені, пурпурні бактерії, ціанобактерії), так і хемотрофи (нітрифікуючі, залізо-, сіркобактерії та ін.). У бактерій відомі такі способи отримання енергії: бродіння, аеробне дихання, хемо- та фотосинтез. Під час усіх цих процесів синтезуються молекули АТФ.

Бродіння — ферментативний анаеробний процес розщеплення молекул органічних сполук, спряжений із синтезом молекул АТФ. За допомогою процесів бродіння людина отримує різноманітні продукти харчування.

Фотосинтез у прокаріотів може відбуватись як без виділення кисню, так і з його виділенням. Перший варіант фотосинтезу характерний для бактерій, у яких замість хлорофілу в клітині є пігмент бактеріохлорофіл (зелені сіркобактерії та пурпурні бактерії). Другий варіант фотосинтезу здійснюють ціанобактерії з використанням хлорофілу.

До хемосинтезуючих організмів належать: нітрифікуючі бактерії (окиснюють амоніак до нітриту, а нітрити до нітратів); сіркобактерії (окиснюють сірководень до Сульфуру та сірку до сульфатної кислоти); водневі бактерії (окиснюють водень до води); залізобактерії (окиснюють солі Феруму(ІІ) до Феруму(ІІІ)); карбоксидобактерії окиснюють СО до вуглекислого газу (СО2)).

Розмноження прокаріотів. Клітини прокаріотів розмножуються виключно нестатевим шляхом: поділом навпіл (мал. 13.1), рідше — брунькуванням або множинним поділом (як-от, деякі ціанобактерії). Перед поділом клітина збільшується в розмірах, її спадковий матеріал (молекула ДНК) подвоюється. Кожна з дочірніх клітин, які утворилися внаслідок поділу материнської, отримує свою частину спадкової інформації. За сприятливих умов клітини бактерій можуть ділитися кожні 20 хв, завдяки чому чисельність їх швидко зростає.

Мал. 13.1. 1. Етапи поділу бактеріальної клітини навпіл. Завдання: схарактеризуйте події, які відбуваються під час поділу бактеріальної клітини. 2. Фотографія бактеріальної клітини, що ділиться

Хоча прокаріоти не здатні до статевого розмноження, їхні клітини можуть обмінюватися спадковою інформацією. Це відбувається або під час безпосереднього контакту двох клітин шляхом кон’югації, або коли клітини перебувають на певній відстані (цей процес називають трансформацією). Під час кон’югації між двома сусідніми клітинами утворюється тимчасовий зв’язок, через який передається ДНК плазміди, рідше — частина ДНК, розташованої в ядерній зоні (мал. 13.2).

Трансформація — це процес поглинання клітиною вільної молекули ДНК з навколишнього середовища.

Мал. 13.2. Процес кон’югації у бактерій: 1, 2 — між двома клітинами бактерій за допомогою виросту оболонки клітини встановлюється безпосередній контакт; 3 — за участю ферменту подвоюється ДНК плазміди клітини донора; 4 — утворена молекула ДНК переходить у цитоплазму клітини-реципієнта; 5 — клітина-реципієнт отримала спадкову інформацію, якої в неї раніше не було

Цікаво знати!

Уперше процес трансформації в бактерій спостерігав 1928 року англійський учений і лікар Фредерік Гріффіт (1879—1941). Він досліджував два штами пневмокока (мал. 13.3). Клітини одного штаму були вкриті полісахаридною капсулою, яка захищала їх від імунної системи організму хазяїна (1). Клітини іншого штаму такої захисної капсули не мали, тому під час уведення в організм хазяїна не спричиняли захворювання (2). Так само не заражали тварину вбиті нагріванням клітини першого штаму (3). Але, якщо піддослідним мишам уводили суміш живих клітин другого (непатогенного) та вбитих нагріванням клітин першого (патогенного) штамів, піддослідні тварини гинули (4). Завдання: спробуйте пояснити результати досліду Ф. Гріффіта.

Мал. 13.3. Дослід Ф. Гріффіта, який доводить процес трансформації в бактерій

Спадковий матеріал прокаріотів урізноманітнюється також за участю вірусів (див. мал. 10.3). Процес перенесення генів від однієї бактерії до іншої за допомогою бактеріофагів називають трансдукцією. Заражена вірусом бактерія може набувати нових властивостей. Так, деякі патогенні для людини бактерії, зокрема холерний вібріон — збудник холери — та один із видів роду клостридіум — збудник правця, здатні виробляти свої токсини тоді, коли в їхні геноми вбудовується спадковий матеріал відповідних бактеріофагів, який містить частину генетичної інформації про токсин.

Завдання: на прикладі бактеріофагів пригадайте, як відбувається процес трансдукції в бактерій.

Переживання клітинами прокаріотів несприятливих умов. За настання несприятливих умов у деяких прокаріотів спостерігають процеси споро- або цистоутворення. Під час спороутворення частина цитоплазми материнської клітини вкривається багатошаровою оболонкою, утворюючи спору (мал. 13.4, А). Гальмуються процеси метаболізму. Такі спори завдяки низькому вмісту води дуже стійкі до дії високих температур: у деяких випадках вони можуть витримувати кип’ятіння протягом кількох хвилин. Спори також витримують значні дози іонізуючого опромінення, впливи різних хімічних сполук тощо. Спори прокаріотів зазвичай слугують для тривалого збереження життєздатності в несприятливих умовах і поширення (вітром, водою, іншими організмами). У сприятливих умовах спори «проростають», тобто клітини залишають оболонку та поновлюють активну життєдіяльність.

Деякі прокаріоти здатні до інцистування (мал. 13.4, Б). При цьому щільною оболонкою вкривається вся клітина. Цисти прокаріотів стійкі до впливу радіації, висушування, але, на відміну від спор, не здатні переносити дію високих температур.

Мал. 13.4. Схема утворення спори всередині клітини (А) та цисти (Б). Б — клітина (1) та спора (2) борелії (ця бактерія є збудником небезпечного захворювання людини — бореліозу, або хвороби Лайма; декілька видів роду Борелія спричиняють процеси запалення в різних внутрішніх органах людини; збудників переносять іксодові кліщі). Завдання: визначте, до якого типу будови належить клітина борелії

Ви вже знаєте про унікальну властивість деяких груп бактерій фіксувати атмосферний азот, уміст якого в атмосферному повітрі сягає понад 78 %. Рослини, яким конче потрібні сполуки Нітрогену, не здатні засвоювати їх з повітря. Їх можуть постачати рослинам симбіотичні азотфіксуючі бактерії, зокрема бульбочкові. Деякі багатоклітинні ціанобактерії також здатні фіксувати атмосферний азот. У них спостерігають диференціацію клітин. Оскільки молекулярний кисень робить неактивними ферменти, що забезпечують процеси фіксації атмосферного азоту, у нитчастих ціанобактерій формуються особливі клітини — гетероцисти, укриті іззовні додатковими щільними оболонками.

Ключові терміни та поняття

бродіння, хемосинтез, кон'югація, трансформація та трансдукція в бактерій.

Перевірте здобуті знання

1. Які особливості процесів фотосинтезу у прокаріотів? 2. Які групи прокаріотів здатні до хемосинтезу? 3. Як людина може використовувати хемосинтезуючі бактерії? 4. Як розмножуються прокаріоти? 5. Завдяки яким процесам може врізноманітнюватися спадковий матеріал прокаріотів? 6. Як прокаріоти можуть переживати періоди несприятливих умов? 7. Які групи прокаріотів здатні фіксувати атмосферний азот?

Поміркуйте

Використовуючи отримані раніше знання, обґрунтуйте, чому окиснення органічних сполук для організмів енергетично вигідніше, ніж їхнє безкисневе розщеплення.