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

§ 6. Роль прокаріотів у природі та житті людини

Поява фотосинтезу в ціанобактерій призвела до кисневої катастрофи

Прокаріоти є воістину всюдисущими організмами, що населяють найрізноманітніші місця існування. Бактерії мешкають у ґрунті й водоймах, на океанічному дні, у тріщинах земної кори на глибині в кілька кілометрів та в інших організмах. Деякі археї здатні виживати в концентрованих розсолах, а інші — в окропі гейзерів. Багато із прокаріотів мешкають у середовищі, насиченому киснем, інші, навпаки, уникають наявності кисню. Прокаріотичні організми залучені до колообігів усіх біогенних хімічних елементів і відіграють важливу роль у підтриманні сучасного вигляду біосфери.

Саме бактерії — ціанобактерії, що їх раніше називали синьо-зеленими водоростями, першими «винайшли» кисневий фотосинтез — найефективніший спосіб засвоєння сонячної енергії, який надалі успадкували всі зелені рослини (рис. 6.1, А). Найімовірніше, кисневий фотосинтез з’явився приблизно 2,4 млрд років тому й відіграв ключову роль в історії нашої планети. Поступове накопичення кисню в біосфері призвело до загибелі багатьох організмів, які існували до того часу, — «кисневої катастрофи» — адже кисень надто агресивний окисник. Аби вижити, анаеробні організми мали «ховатися» в безкисневих місцях біосфери, де вони існують і донині — стічних і ґрунтових водах, мулі, заболоченому ґрунті, шлунково-кишковому тракті ссавців. Проте накопичення кисню призвело й до інших наслідків: кисень окиснив сполуки металів, що містилися у Світовому океані, очистивши цим гідросферу (рис. 6.1, Б), а в атмосфері сформував озоновий шар, який захищає Землю від згубного ультрафіолетового випромінювання. Нарешті кисень зробив можливим аеробне дихання — найбільш енергетично вигідний спосіб окиснення органічних речовин організмами. Завдяки аеробному диханню з’явилися перші еукаріотичні клітини, а потім і багатоклітинні організми.

Рис. 6.1.

А. Ниткоподібна ціанобактерія осцилаторія — одна з найпоширеніших ціанобактерій у прісних і солоних водоймах. Б. Німий свідок «кисневої катастрофи»: червона смуга на камінні сформувалася з Ферум(ІІІ) оксиду, що випав в осад на океанічне дно після насичення океану киснем.

Нині внесок ціанобактерій у фотосинтетичне постачання кисню в атмосферу скромніший за внесок еукаріотичних водоростей і рослин. Проте об’єми кисню, що його виробляють морські й прісноводні ціанобактерії, величезні: до 40 % усього кисню біосфери.

Без бактерій зупинився б колообіг Нітрогену

Ще один глобальний процес, що відбувається за безпосередньої участі бактерій, — колообіг Нітрогену (рис. 6.2, А). У біосфері Нітроген трапляється в різноманітних формах: нітрати, нітрити, амоніак, у складі біомолекул, а також, звісно, у вигляді атмосферного азоту. Азот — інертна сполука, оскільки атоми в її молекулах зв’язані міцним потрійним зв’язком, що для його розриву потрібні значні витрати енергії. Процес переведення атмосферного азоту в форму амоніаку — азотфіксацію — серед організмів здатні здійснювати лише бактерії (рис. 6.2, Б, В). Багато бактерій-азотфікеаторів живуть у симбіозі з рослинами, що постачають їм поживні речовини й енергію. Бактерії, своєю чергою, передають рослинам сполуки Нітрогену. Прикладом таких бактерій є ризобії, що мешкають у видозмінах коренів бобових рослин — бульбочках. Якщо розрізати бульбочку, то можна легко помітити, що рослинна тканина має червонувате забарвлення. Воно зумовлене наявністю рослинного аналога гемоглобіну — леггемоглобіну. Річ у тім, що азотфіксація — процес надто чутливий до наявності кисню. Навіть незначна кількість останнього повністю блокує роботу ферментів, що відповідають за засвоєння атмосферного азоту. Леггемоглобін міцно зв’язує кисень, захищаючи від нього азотфіксувальні бактерії.

Ще один приклад симбіозу азотфіксаторів із рослинами — ціанобактерія анабена, яка може оселятися у видозмінених листках водяної папороті азоли (рис. 6.3). Цей симбіоз працює настільки ефективно, що у країнах Південно-Східної Азії папороть азолу використовують як добриво для сільськогосподарських земель.

Однак азотфіксація — не єдиний процес, що збагачує ґрунт на амоніак. Він вивільняється ще й у результаті розкладання білків та інших нітрогеновмісних біомолекул у процесі гниття, що також відбувається за участі бактерій.

Рис. 6.2. Цикл Нітрогену в природі

А. Колообіг Нітрогену. Більшість етапів колообігу Нітрогену так чи так пов’язана з життєдіяльністю бактерій. Б. Бульбочки становлять собою видозмінені бокові корені, клітини яких наповнені азотфіксувальними бактеріями. В. Мікрофотографія клітини бульбочки зроблена за допомогою електронного мікроскопа. Видно величезну кількість бактерій ризобій, що містяться безпосередньо в цитоплазмі.

Рис. 6.3. Папороть азола (А) та її культивування (Б) для використання як добрива

Варто пам’ятати, що амоніак — не єдина форма Нітрогену, яка трапляється в ґрунті. Набагато простіше рослини засвоюють окиснені сполуки Нітрогену: нітрити і нітрати. Ці речовини утворюються з амоніаку в ході нітрифікації — процесу, що здійснюється нітрифікувальними бактеріями за наявності кисню. Нітрифікатори є аеробами, проте, на відміну від нас, вони окиснюють киснем не органічні сполуки, а амоніак спочатку до нітритів, а потім — до нітратів. Щоб процес нітрифікації відбувався ефективно, ґрунт має бути насиченим киснем. Нітрати добре засвоюються рослинами, тому діяльність нітрифікаторів сприяє покращенню родючості ґрунту (рис. 6.4).

У слабо насичених киснем ґрунтах відбувається зворотний процес — денітрифікація. Денітрифікацію здійснюють бактерії-анаероби (рис. 6.5). Ці бактерії також отримують енергію завдяки диханню, тільки цього разу — безкисневому. Як окисник замість кисню вони використовують нітрат, відновлюючи його до молекулярного азоту.

Рис. 6.4. Нітрифікатори ґрунту

Бактерії нітрозомонас (А) і нітробактер (Б) є аеробними хемоавтотрофами. їх відкрив український мікробіолог, першовідкривач хемосинтезу Сергій Виноградський.

Рис. 6.5. Денітрифікувальна тіобацила здатна окиснювати сполуки Сульфуру, Феруму й Урану за рахунок нітратів

Останній вивільняється в атмосферу, що призводить до зниження родючості ґрунту.

Археї здатні утворювати метан, що його можна використовувати як паливо

Археї здатні здійснювати унікальний процес — метаногенез, що є різновидом анаеробного дихання, коли як окисник використовується вуглекислий газ. У результаті цього процесу утворюється метан. Метаногени трапляються виключно в безкисневих умовах: у заболочених ґрунтах, шлунково-кишковому тракті ссавців, застійних водоймах. Ці археї відіграють важливу роль у природі, завершуючи розкладання органічних речовин у безкисневих умовах. Саме вони є основним джерелом метану в атмосфері. У наш час розробляються і впроваджуються різні методики, що дають змогу збирати й використовувати метан, який виділяється археями, — так званий біогаз. Отриманий за безкисневого гниття органічних продуктів біогаз, окрім метану, містить також домішки вуглекислого газу, водню й сірководню, однак після очищення може бути перероблений на біометан, ідентичний природному газу за складом, але не за походженням (рис. 6.6). Біогаз є перспективним джерелом енергії. У Данії він забезпечує 18 % енергетичних потреб країни, а 10 % автотранспорту Швейцарії працює на біогазі.

Рис. 6.6. Установка для отримання біогазу завдяки метаногенним археям

Бактеріальна кишкова мікрофлора різноманітна й потрібна людині Багато видів архей і бактерій тісно пов’язані з людиною й навіть мешкають у її організмі, створюючи всередині нього мікробні спільноти. Найбільше бактерій і архей мешкає в товстому кишківнику — приблизно 38 трильйонів клітин сумарною масою 200 грамів, а оцінки видового різноманіття варіюють від 300 до 1000 різних видів. Однак, це зовсім не патогенні мікроорганізми, а представники нормального мікробного населення кишківника здорової людини. Обов’язковим компонентом цієї спільноти є кишкова паличка, у значних кількостях наявний ентерокок, лактобактерії й біфідобактерії (рис. 6.7). Вони сприяють нормальному травленню, беруть участь в утворенні вітамінів В12 і К. Також бактерії нашого кишківника запобігають росту хвороботворних мікроорганізмів і розвитку хвороб.

У перші дні життя більша частина мікрофлори кишківника немовляти представлена біфідобактеріями. Вони не лише сприяють травленню і синтезують вітаміни, а й запобігають розвиткові патогенної мікрофлори. Біфідобактерії витісняють потенційно хвороботворних бактерій із кишківника, формуючи потужний бар’єр на шляху інфекцій. З часом, після відмови від молочного харчування, біфідобактерії поступаються своїм панівним становищем кишковій паличці.

Рис. 6.7. Представники мікрофлори товстого кишківника людини

A. Кишкові палички. Б. Ентерокок. B. Лактобацили. Г. Біфідобактерії.

Проте біфідобактерії продовжують залишатися у складі кишкової мікрофлори людини. Вважають, що наявність саме біфідобактерій позитивно впливає на травлення й дає змогу пригнічувати гнилісну і хвороботворну мікрофлору. Тому багато медичних препаратів для лікування розладів травлення містять живу культуру біфідобактерій.

Багато бактерій є збудниками хвороб

Однією з найсмертоносніших бактерій за всю історію людства є чумна паличка (рис. 6.8, А). Саме вона була винуватицею трьох наймасштабніших глобальних епідемій: чуми Юстиніана, Чорної Смерті й Портової чуми. Цікаво, що ця бактерія виникла близько 10 тисяч років тому від нешкідливого предка, який мешкав у ґрунті. Приблизно в цей час, завдяки запозиченню генів від іншого прокаріота, бактерія набула здатності проникати в легені людини й розмножуватися там. Ще кілька мутацій, які відбулися пізніше, тільки підсилили її патогенні властивості.

Рис. 6.8.

А. Чумна паличка — найсмертоносніша бактерія за всю історію світової цивілізації. Б. Переносниками чумної палички є блохи, а природними «резервуарами» — гризуни, такі як пацюки і миші. В. Холерний вібріон є збудником холери — захворювання, що ним можна заразитися, вживаючи брудну воду. Г. Золотистий стафілокок — звичайний мешканець поверхні нашого тіла, але за ослабленого імунітету може спричиняти багато різних захворювань.

У природі чума зазвичай вражає гризунів, а переноситься від одного організму до іншого блохами (рис. 6.8, Б). Саме висока щільність населення, відсутність суспільної гігієни й велика кількість пацюків у містах призвели до епідемій, що значно скоротили населення Європи у Середні віки. У наш час спільна праця лікарів, мікробіологів і епідеміологів усіх країн дозволяє тримати чуму під контролем.

Ще одна небезпечна хвороботворна бактерія — холерний вібріон (рис. 6.8, В). У природі збудник холери мешкає в забрудненій воді. Потрапляючи в травну систему людини, бактерія починає масово продукувати токсини, що призводять до порушень водно-сольового обміну й накопичення солей і води в кишківнику. Це створює сприятливі умови для росту холерного вібріона і спричиняє знесолення та зневоднення організму через постійні блювоту та пронос, що часто має летальний наслідок. Центром виникнення всіх епідемій холери є долина Гангу, де в теплих і сильно забруднених водах масово мешкає й продовжує еволюціонувати збудник холери. Нові штами холери, що періодично виникають, швидко розповсюджуються і часом спричиняють епідемії в країнах Азії й Африки. Величезний внесок у дослідження чуми й холери, способів їхнього лікування зробив український мікробіолог Данило Заболотний.

Одним із медичних прийомів, що дає змогу значно знизити смертність під час епідемій холери, є вживання хворими води з сіллю та глюкозою. Глюкоза забезпечує ефективне всмоктування солей у кишківнику, що дозволяє запобігти їхній втраті й зневодненню, оскільки вода поглинається організмом разом із солями.

Зрештою патоген, з яким стикалися практично всі ми — золотистий стафілокок (рис. 6.8, Г). Зазвичай він населяє поверхню тіла людини, живиться його виділеннями й не завдає ніякої шкоди здоров’ю. Проте в разі хвороби, коли імунітет ослаблений, золотистий стафілокок може «переходити в наступ» і набувати хвороботворних властивостей. Масове розмноження стафілокока може призвести до виникнення ангіни, пневмонії, менінгіту, ендокардиту, сепсису. Коли ж сили імунного захисту організму відновлюються, золотистий стафілокок «відступає» і повертається до «мирного» існування на поверхні тіла людини. Це є прикладом умовної патогенності, коли мікроорганізм здатний набувати патогенних властивостей лише за ослаблення імунного захисту хазяїна.

Цікаве життя

Генетично модифіковані бактерії здатні виробляти людські білки

До початку XX ст. цукровий діабет був невиліковною хворобою. Але у 1920-х роках вченим удалося відкрити «антидіабетичний фактор» — білковий гормон інсулін, при введенні якого у кров рівень глюкози швидко знижується. Понад півстоліття джерелом інсуліну були видалені і очищені підшлункові залози тварин: найчастіше свиней і великої рогатої худоби. При цьому з восьми тонн залоз виділяли лише один кілограм інсуліну! Також, час від часу, у людей із цукровим діабетом спостерігали алергічні реакції на тваринні інсуліни через відмінності у амінокислотній послідовності білків: свинячий відрізняється від людського інсуліну однією амінокислотою, а бичачий — трьома.

У вирішенні проблеми алергії і у виробництві інсуліну допомогли бактерії! У результаті розвитку методів генної інженерії в 1978 році створено штам кишкової палички, здатний синтезувати у своїх клітинах людський інсулін. Оскільки людський інсулін складається з двох окремих амінокислотних ланцюгів, закодованих в одному гені, то вчені штучно синтезували окремо ген для одного ланцюга і окремо — для другого. Ці гени було введено в кишкову паличку у складі плазмід. Надалі з бактерій, вирощених у спеціальному середовищі, виділяли інсулін. Ланцюги з’єднували між собою, і готовий інсулін потрапляв на полиці аптек.

Ця технологія дозволила у кілька разів здешевити і зробити доступнішим інсулін для людей з цукровим діабетом!

У наступному подібні бактеріальні синтези були розроблені для гормону росту (лікування карликовості), фактора VIII згортання крові (лікування гемофілії), інтерферону (лікування вірусних інфекції) й багатьох інших потрібних білків.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Загибель багатьох організмів у «кисневій катастрофі» була спричинена

А окисненням усіх поживних речовин

Б відсутністю озонового шару

В формуванням аеробних організмів

Г окисненням внутрішньоклітинних компонентів

Д окисненням металів у воді й випаданням їх у осад

• 2. Чому під час прийому антибіотиків людям радять активно вживати кисломолочні продукти?

А кисломолочні продукти містять речовини-стимулятори імунітету

Б у кефірі та йогурті є лакто- і біфідобактерії, що уповільнюють розвиток шкідливої мікрофлори

В у продуктах з кислого молока багато вітаміну С

Г кисломолочні продукти посилюють роботу антибіотиків

Д продукти з кислого молока мають дуже мало патогенних бактерій, тому є безпечними у вживанні

• 3. Деякі штами кишкової палички здатні викликати порушення травлення в людей з ослабленим імунітетом. Це свідчить про

А умовну патогенність кишкової палички

Б те, що людям з ослабленим імунітетом варто завжди приймати антибіотики

В те, що будь-які порушення травлення потрібно лікувати антибіотиками

Г необхідність знищення кишкової палички в кишківнику здорових людей

Д наявність кишкової палички в продуктах, що викликають розлади травлення

• 4. Увідпобідніть бактерій і їхню роль у колообігу Нітрогену.

1. бактерія гниття

2. нітрифікувальна бактерія

3. денітрифікувальна бактерія

4. бактерія-азотфіксатор

А відновлення азоту до амоніаку

Б окиснення амоніаку до нітратів

В відновлення нітратів до амоніаку й азоту

Г переведення Нітрогену органічних сполук в амоніак

Д окиснення амоніаку до азоту

У житті все просто

• 5. Які є докази того, що в історії Землі була «киснева катастрофа»? Як ученим вдалося визначити, коли вона відбулася?

• 6. Схарактеризуйте максимальну кількість галузей економіки, у яких людина використовує бактерії. Чому бактерії мають таке широке застосування в людській діяльності?

У житті все не так просто

• 7. Яка роль бактерій корисної мікрофлори кишківника у процесах травлення?

Проект для дружної компанії

• 8. Об'єднайтеся з однокласниками і однокласницями і підготуйте презентації про інші хвороботворні чи корисні бактерії, не згадані в параграфі: їх біологію, шляхи зараження, вплив на організм, способи лікування і профілактики, використання. Розкажіть про «свого» мікроба у класі.