Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 48. Основні групи живих організмів

Усі організми належать до трьох доменів живого

За будовою клітин живі організми можна поділити на прокаріотів, що не мають клітинного ядра, та еукаріотів, або ядерні організми. Еукаріотична клітина влаштована значно складніше за прокаріотичну, тому вважається, що еукаріоти пішли від якихось давніх прокаріотів. Проте встановити родинні зв’язки між прокаріотами та еукаріотами виявилося не так легко. Для цього було використано аналіз послідовності РНК рибосом. Ці молекули РНК є в усіх живих організмів, від кишкової палички до людини, і доволі повільно змінюються в процесі еволюції. Тому вони чудово підходять для відтворення давніх еволюційних подій. Аналіз рибосомних РНК дав змогу розподілити все біорізноманіття на три групи, що їх називають доменами: Бактерії, Археї та Еукаріоти (рис. 48.1).

Рис. 48.1. Еволюційне дерево, що показує три домени живого

1. Домен Бактерії (Bacteria). 2. Домен Археї (Archaea). 3. Домен Еукаріоти (Eukarya).

Поглянувши на еволюційне дерево на рисунку, ви одразу можете помітити дві цікаві особливості. По-перше, багатоманітність прокаріотів становить собою дві чітко відокремлені гілки, які було не дуже вдало названо Бактерії та Археї. По-друге, гілка Архей є сестринською до Еукаріотів. Отож в еукаріотів та архей був спільний предок, що не належав до бактерій. Це також підтверджується тим, що геном архей має набагато більше спільного з ядерним геномом еукаріотів, ніж із геномом бактерій. Отже, предок еукаріотів був більше подібний до сучасних архей, ніж до сучасних бактерій.

Бактерії й археї не мають ядра

Аналіз ДНК показує, що різноманіття прокаріотів представлено двома групами — бактеріями й археями. Ці гілки еволюції розійшлися на самому початку формування життя на Землі. Зараз бактерії є найпоширенішими організмами на планеті: вони населяють океани, ґрунт, свердловини в земній корі, живі організми; їхні спори розносяться атмосферою та вкривають усю поверхню землі.

Карл Воуз

Народився 1928 року в Нью-Йорку (США). Освіту здобув у Єльському університеті. Відкрив нову групу організмів — археїв. Запропонував нову систематику живої природи, розподіливши її на три домени: Бактерії, Археї й Еукаріоти. Сформулював гіпотезу походження життя, яку потім Волтер Гілберт розвинув у гіпотезу «Світу РНК». Ідеї Воуза мають серйозну експериментальну й теоретичну підтримку, тому на сьогодні лише невелика група консервативних учених дотримується старих поглядів на систематику природи. Воуз працював професором в Університеті Іллінойсу. Помер учений наприкінці 2012 року.

Рис. 48.2. Бактерії й археї

A. Ціанобактерія анабена. Входить до складу фітопланктону, здійснює фотосинтез із виділенням кисню. Деякі види вступають у симбіоз із рослинами. Б. Холерний вібріон. Має вигляд вигнутої палички зі джгутиком. Зазвичай мешкає в забруднених водоймах, але може паразитувати в тонкому кишківнику людини, спричиняючи холеру. B. Молочнокисла бактерія. Використовується людиною для одержання кисломолочних продуктів. Г. Архея метаносарцина, що здійснює метаногенез — особливий варіант анаеробного дихання з утворенням метану. Населяє безкисневі місця проживання: глибокі стічні води, заболочені ґрунти, кишківник ссавців.

Бактерії життєво необхідні для нормального функціонування біосфери: лише вони здійснюють азотфіксацію — процес, що переводить атмосферний азот у сполуки, доступні іншим організмам. Ціанобактерії роблять значний внесок у виробництво кисню (рис. 48.2, А). Симбіотичні бактерії, що населяють наш кишківник, виробляють вітаміни та забезпечують нормальне травлення. Утім деякі бактерії спричиняють захворювання (рис. 48.2, Б). Так, перша пандемія (епідемія, що охопила всю планету) чуми сталась у VI столітті1 та згубила близько 100 млн людей. Багатьох бактерій людина навчилася використовувати у своїх цілях: для виробництва кисломолочних продуктів (рис. 48.2, В), сиру, деяких алкогольних напоїв, квашених овочів, про що йтиметься в § 60. Археї також доволі поширені в біосфері2. Серед них багато організмів, які віддають перевагу екстремальним умовам перебування — високим температурам і значній солоності. Їх можна знайти у водах гейзерів і вулканічних джерел, солоних озер, що пересихають. Багато архей уникають контактів із киснем і змушені жити в безкисневих «кишенях» біосфери, таких як ґрунтові води та шлунково-кишковий тракт тварин (рис. 48.2, Г).

Походження еукаріотів пояснює ендосимбіотична теорія

Як ми вже згадували на початку параграфа, перші еукаріоти походять від давніх архей. Проте, як ви пам’ятаєте, крім ядерної ДНК, більшість еукаріотів мають ще й цитоплазматичну ДНК, що міститься в мітохондріях і пластидах. Послідовності цієї ДНК більше нагадують ДНК бактерій: у випадку мітохондрій — альфа-протеобактерій3, а у випадку зелених хлоропластів — ціанобактерій.

1 У Європі її було названо Юстиніановою чумою.

2 Раніше вважалося, що архей доволі мало в біосфері, однак останні дослідження показують, що археї становлять значну частину океанічного планктону, а також щільно населяють морське дно, ґрунт, кишківники тварин.

3 До них належить ендосимбіонт рослин азотфіксатор ризобіум, а також внтурішньоклітинний паразит тварин рикетсія, що спричиняє висипний тиф.

Розглянемо гіпотетичний сценарій походження мітохондрій у межах теорії ендосимбіозу. Якийсь прокаріотичний предок еукаріотів (якась давня архея) вступив у тісні стосунки з якоюсь давньою бактерією, у результаті яких остання була поглинена нашим далеким предком1. Наявність усередині архей симбіотичних бактерій дала неочікувані еволюційні переваги. Бактерії відповідали за низку біохімічних процесів, головний з-поміж яких — клітинне дихання. Мембрана симбіотичної бактерії з вбудованими у неї компонентами електронтранспортного ланцюга та АТФ-синтазами перетворилася на внутрішню мітохондріальну мембрану, а мембрана вакуолі, у якій ця бактерія мешкала, — на зовнішню. На згадку про своє бактеріальне походження мітохондрії більшості організмів несуть кільцеву ДНК і рибосоми, що нагадують бактеріальні. Наявність мітохондрій дала змогу хазяїнові перекласти навантаження з контролю над диханням на симбіонта, а самому зайнятися побудовою складної клітинної архітектури, характерної для еукаріотів. Деякі еукаріоти пізніше вступили в подібні симбіотичні взаємини з ціанобактеріями, отримавши хлоропласти та здатність до фотосинтезу. Усі сучасні рослини є їхніми нащадками.

Віруси — неклітинні не організми

Насамкінець треба згадати про віруси. Віруси не мають клітинної будови й не є живими організмами. Віруси є внутрішньоклітинними паразитами живих організмів — бактерій, архей та еукаріотів. Вірус — це нуклеїнова кислота (ДНК чи РНК), вкрита білковою оболонкою, а іноді — ще й ліпідною мембраною з білками. Різноманіття РНК-вмісних вірусів було представлене в § 23.

На рисунку 48.3 наведено кілька прикладів ДНК-вмісних вірусів.

Бактеріофаг Т4. Цей вірус (рис. 48.3, А) паразитує в бактеріях. Він має дуже складну будову: головку, хвостик і шипи. Після прикріплення до поверхні бактерії бактеріофаг Т4 функціонує як шприц: протикає клітинну оболонку та впорскує всередину клітини свою ДНК. Потім ця ДНК копіюється в клітині, за нею синтезуються вірусні білки й утворюються нові вірусні частинки, які виходять із клітини.

Аденовірус — це ДНК-вірус людини (рис. 48.3, Б), що спричиняє гострі респіраторні вірусні інфекції (ГРВІ), тобто хвороби дихальної системи людини, що супроводжуються кашлем, нежитем, головним болем і підвищенням температури.

Герпесвірус. Різноманітні герпесвіруси (рис. 48.3, В) вражають найрізноманітніших хребетних — від риб до людини. Більшість населення планети заражена герпесвірусом. Зазвичай він перебуває в клітинному ядрі та ніяк себе не виявляє. Але герпетична інфекція розвивається, якщо місцевий імунітет знижений, причиною чого часто є переохолодження.

Рис. 48.3. ДНК-вмісні віруси

А. Бактеріофаг Т4. Вірус, що вражає бактерії. Б. Аденовірус. Спричиняє ГРВІ — гострі респіраторні вірусні інфекції. В. Герпесвірус. У разі зниження місцевого імунітету, наприклад, при переохолодженні, вірус виявляє себе й розвивається герпетична інфекця. Г. Мімівірус. Гігант серед вірусів. У діаметрі сягає 500 нм (Для порівняння: Діаметр аденовірусу становить 70 нм).

1 Характер цих узаємин важко реконструювати однозначно. Раніше вважалося, що предок еукаріотів був хижаком та, на зразок сучасної амеби, поглинав дрібні бактерії, що були поруч. Однак можливо, що бактерія була не така вже й беззахисна, а, навпаки, — паразитувала на предку еукаріотів.

Мімівірус є найбільшим за розміром вірусом, що інфікує амеб (рис. 48.3, Г). Має також найбільший і найскладніший вірусний геном. Деякі дослідники вважають, що мімівірус міг виникнути від якихось предкових клітинних організмів1.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Правильна послідовність виникнення трьох доменів живих організмів така:

  • А бактерії — еукаріоти — археї
  • Б археї — бактерії — еукаріоти
  • В бактерії — еукаріоти — археї
  • Г бактерії — археї — еукаріоти
  • Д археї — еукаріоти — бактерії

2. Внутрішня мембрана мітохондрій походить від

  • А зовнішньої мембрани клітини археї
  • Б мембрани вакуолі археї
  • В зовнішньої мембрани клітини бактерії
  • Г мембрани вакуолі клітини бактерії
  • Д мембрани вакуолі еукаріота

3. Предком хлоропластів був найближчий родич

  • А евглени зеленої
  • Б кишкової палички
  • В ціанобактерії
  • Г бактерії гниття
  • Д метанобактерії

4. Паразит бактерій — це

  • А герпесвірус
  • Б кишкова паличка
  • В холерний вібріон
  • Г метаносарцина
  • Д бактеріофаг Т4

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

5. Назва «археї» походить від грецького слова αρχαίος, що означає «давній». Чому така назва не дуже пасує цій групі прокаріотів з огляду на їхнє походження?

6. Які зміни мали відбутися в обміні речовин і спадковій інформації клітини-хазяїна, щоб поглинена бактерія стала ендосимбіотичною органелою?

7. У якій послідовності в ході еволюції виникали перші представники царств Рослини, Тварини та Гриби?

8. Опишіть життєвий цикл вірусу.

9. Схарактеризуйте основні відмінності вірусів і бактерій.

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

10. Очевидно, що двомембранні пластиди та мітохондрії пішли від бактерій-ендосимбіонтів. А яке походження двомембранного ядра клітин еукаріотів?

11. Чому віруси не вважають живими організмами?

12. Археї збереглися насамперед у місцях з екстремальними умовами. Що є причиною цього?

1 Виявилося, що в цього вірусу є навіть свій вірус-паразит — вірофаг-супутник! Вірофаг живе, використовуючи білки мімівірусу для власного розмноження. Це приклад надпаразитизму серед вірусів.

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Які особливості організації геному архей споріднюють їх з еукаріотами та відрізняють від бактерій?

14. Схарактеризуй основні гіпотези походження вірусів. До якої з них схиляється більшість учених?

Практична робота № 4

Порівняння будови та процесу розмноження клітинних форм життя і вірусів

Мета: дослідити схожості й відмінності в будові та розмноженні вірусів, прокаріотів та еукаріотів.

Хід роботи

Порівняння будови

1. Намалюйте схематичну будову вірусної частинки, клітини бактерії й клітини еукаріота та підпишіть їхні компоненти.

2. Заповніть порівняльну таблицю особливостей будови форм життя і вірусів.

Критерій порівняння

Віруси

Прокаріоти

Еукаріоти

Розмір організму

Клітинна будова

Багатоклітинність

Наявність органів і систем органів

Будова оболонки

Мембранні органели

Немембранні органели

Ядро

Носій спадкової інформації

Різноманіття нуклеїнових кислот

Кількість хромосом

Розмір геному

Порівняння процесу розмноження

3. Розподіліть характеристики процесу розмноження за трьома категоріями — віруси, прокаріоти та еукаріоти (деякі характеристики можуть стосуватися кількох категорій):

  • розмноження лише всередині клітини;
  • клітини діляться раз на 20-30 хв;
  • поділ навпіл;
  • спори;
  • гамети;
  • розмноження частинами тіла;
  • відбувається обмін спадковою інформацією;
  • необхідне копіювання нуклеїнової кислоти;
  • достатньо однієї особини;
  • одночасно утворюється багато нащадків;
  • постійне розмноження за сприятливих умов;
  • розмноження за сприятливих умов лише в певні періоди часу;
  • чергування поколінь, що розмножуються нестатевим і статевим шляхом.