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

Земля — планета бактерій.

Крейг Вентер

§ 10. ПРОКАРІОТИЧНІ ОРГАНІЗМИ: БАКТЕРІЇ

Основні поняття й ключові терміни: БАКТЕРІЇ. Горизонтальне перенесення генів.

Пригадайте! Хто такі прокаріоти?

Новини науки

У зразках води й ґрунту, взятих на території заводу з переробки пластикових пляшок, було знайдено бактерії невідомого раніше виду ідеонела (Ideonella sakaiensis). Ці бактерії для свого живлення використовують пластик, розкладаючи його на безпечні для природи компоненти. Науковці підрахували, що бактерії здатні розкласти пластиковий пакет із найпоширенішого пластику поліетилентерефталату всього за 6 тижнів. Таку властивість бактерії розвинули упродовж останнього десятиліття — це їхня відповідь на велику кількість їжі нового типу. Як зазначають мікробіологи, бактерії мають вражаючу здатність адаптуватися до навколишнього середовища.

ЗМІСТ

Чим бактерії відрізняються від архей?

БАКТЕРІЇ (Bacteria) — прокаріотичні одноклітинні мікроорганізми. У процесі еволюції бактерії адаптувались до життя у ґрунті, воді, повітрі, на поверхні й всередині живих організмів. Основними групами бактерій є спірохети, протобактерії, актинобактерії, мікоплазми та ін. Бактерії є найчисленнішими й найпоширенішими організмами нашої планети. У них проста будова клітини, високі темпи розмноження, велика різноманітність типів й способів живлення, висока мінливість завдяки мобільним генетичним елементам та горизонтальному перенесенню генів, наявність механізмів захисту від вірусів, вони мають здатність впадати в анабіоз й утворювати спори для витримування несприятливих умов. На сучасному етапі відбувається переважно біохімічна еволюція, завдяки чому вони можуть опановувати нові екологічні ніші, виробляючи нові ферменти для засвоєння нових поживних речовин.

У сучасній системі органічного світу ці організми об’єднано в домен Бактерії. Які ж найзагальніші особливості будови та життєдіяльності бактерій відрізняють їх від архей?

1. Клітинна оболонка бактеріальних клітин містить пептидоглікан (муреїн), що утворює жорстку решітку для захисту й опори, бере активну участь в обміні речовин, рості, розмноженні. За особливостями будови клітинної стінки бактерії поділяють на грамнегативні та грампозитивні (іл. 19).

Іл. 19. Схема будови клітинної оболонки грамнегативних (1) та грампозитивних (2) бактерій

2. Основою клітинних мембран бактерій є два шари фосфоліпідів і різноманітні за функціями білкові молекули. Дуже важливими для бактерій є такі функції мембран, як транспортування речовин, перетворення енергії, синтез речовин, що відбуваються за участі внутрішньоклітинних впинань (фотомембран, мезосом).

3. Для бактерій характерна надзвичайна різноманітність типів живлення: фотоавтотрофний (ціанобактерії), хемоавтотрофний (залізобактерії, сіркобактерії), фотогетеротрофний (пурпурні бактерії), хемогетеротрофний (сапротрофні бактерії).

4. Гени бактеріальної клітини складаються із безперервної кодувальної послідовності нуклеотидів. Поділу на інтрони й екзони немає. Характерною ознакою бактерій є наявність у клітині, поряд з нуклеоїдом, невеликих автономних плазмід.

5. Унікальними для бактерій процесами життєдіяльності є більшість типів бродіння, фіксація азоту, бактеріохлорофільний безкисневий фотосинтез та ін.

6. У багатьох бактерій відбувається утворення спор для існування за несприятливих умов, деякі здатні до інцистування для захисту й поширення.

Отже, бактерії мають низку відмінностей будови й життєдіяльності, що стало основою для їхнього виокремлення в домен БАКТЕРІЇ.

Які способи розмноження та обміну спадковою інформацією у бактерій?

Найчастіше у бактерій спостерігається швидкий бінарний поділ, що за сприятливих умов відбувається в межах від 15 до 30 хв. Різновидом бінарного поділу є брунькування. На одному з полюсів материнської клітини утворюється брунька, яка збільшується, а потім відокремлюється. У деяких бактерій виявлено множинний поділ. Йому передують реплікація хромосоми і збільшення клітини, в якій далі відбувається кілька послідовних бінарних поділів з утворенням багатьох дрібних клітин.

Статевого розмноження у бактерій немає, оскільки не утворюються гамети. Але найголовніша подія статевого відтворення, а саме обмін генетичним матеріалом, у них є. Суттєву роль у цьому процесі відіграє горизонтальне перенесення генів між організмами різних видів.

Горизонтальне перенесення генів — процес, під час якого організм передає генетичний матеріал іншому організму, який не є його нащадком. Серед архей та бактерій горизонтальне перенесення генів є досить звичайним навіть між віддаленими видами. Завдяки цьому явищу в доядерних організмів забезпечуються комбінативна мінливість і здатність пристосовуватися до умов довкілля. Існують три загальні механізми горизонтального перенесення генів: трансформація, трансдукція й кон’югація (іл. 20). Трансформація (від лат. nformationn — перетворення) — передача генетичного матеріалу між клітинами за участі ізольованої ДНК. При трансформації не потрібен безпосередній контакт між клітиною-донором і клітиною-реципієнтом. Трансдукція (від лат. nformation — переміщення) — передача генетичного матеріалу від однієї клітини іншій за допомогою вірусів. Явище трансдукції відкрите американськими вченими Д. Ледербергом і Н. Циндером ще у 1952 р. Кон’югація (від лат. nformation — поєднання) — передача генетичного матеріалу від клітини-донора у клітині-реципієнтові при безпосередньому контакті клітин. Необхідною умовою кон’югації є наявність у клітині плазміди.

Іл. 20. Механізми горизонтального перенесення генів: 1 — трансформація, 2 — трансдукція; 3 — кон’югація

Отже, розмноження архей та бактерій відбувається нестатево, а визначальним процесом комбінативної мінливості є горизонтальне перенесення генів.

Як бактерії взаємодіють між собою та з іншими організмами?

Часто бактерії «співпрацюють», формуючи біоплівки та змінюючи швидкість росту завдяки «відчуттю кворуму». Ці взаємини можуть бути істотними для зростання всієї групи організмів. Біоплівки (біофільми) — спільний слизовий шар із зануреними в нього колоніями бактерій. Біоплівки захищають їх від несприятливих умов середовища, а також забезпечують умови для обміну між окремими клітинами поживними речовинами, ДНК, ферментами, продуктами життєдіяльності тощо. Біоплівки утворюють спільне стабільне середовище існування бактерій, завдяки чому останні можуть виживати в дуже важких і малопридатних для інших організмів умовах. Перебуваючи в угрупованнях, бактерії спілкуються і координують свою поведінку завдяки секреції молекулярних сигналів. Це явище називається «відчуттям кворуму». Його вперше спостерігали у біолюмінецсентної бактерії (Vibrio fischeri), що живе як симбіонт у світлових органах-фотофорах одного з видів гавайських кальмарів.

Взаємозв’язки між бактеріями й іншими організмами можуть бути симбіотичними та антибіотичними. Пригадаємо, що найпоширенішими видами симбіозу є мутуалізм, коменсалізм, паразитизм. Прикладами мутуалістичних взаємовідносин у бактерій є: а) відносини між водневими анаеробними бактеріями, які споживають органічні кислоти і виділяють Н2, та метаногенними археями, які його споживають; б) співіснування бульбочкових бактерій і коренів бобових рослин (бактеріориза); в) співіснування з організмом людини молочнокислих бактерій. Прикладом коменсалізму можуть бути відносини організму людини з біфідобактеріями й кишковою паличкою. Прикладом паразитизму є співіснування хвороботворних бактерій (чумна паличка, холерний вібріон, золотистий стафілокок, туберкульозна паличка) з організмом людини чи тварин.

Антибіоз — це взаємовідносини, за яких спостерігається пригнічення розвитку або повне відмирання одних видів під дією продуктів обміну, що їх утворює інший вид. Найчастіше ці продукти називають антибіотиками. Так, Луї Пастер ще в 1877 р. описав конкуренцію бактерій ґрунту і бактерій-збудників сибірської виразки. Є серед бактерій і справжні хижаки. До них належать бделовібріони, тератобактери, диктіобактери та ін.

Отже, взаємовідносини між бактеріями та організмами в різних угрупованнях є складними, динамічними й такими, що залежать від змін умов середовища.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з таблицею

За допомогою таблиці на конкретних прикладах (галоквадратум і кишкова паличка) порівняйте архей та бактерій. Сформулюйте висновок про причини подібності та відмінностей.

Ознака

Археї

Бактерії

Кількість видів

Клітинна оболонка

Клітинні мембрани

Живлення

Особливості геному

Утворення спор


Біологія + Математика. Розмноження бактерій

Розгляньте ситуацію, коли одна прокаріотична клітина перебуває в оптимальних умовах й без перешкод розмножується. Скільки клітин буде в модельній популяції через 10 поколінь, якщо поділ клітин відбувається щокожні 20 хв? Заповніть таблицю і побудуйте графік росту популяції (на горизонтальній вісі — час, на вертикальній — кількість клітин). Запишіть математичний вираз, що відображає закономірність росту популяції.

Час, хв

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Кількість бактерій

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Медицина. Проект «Мікробіом людини»

Завдяки проекту «Мікробіом людини» складено список корисних бактерій, що існують в організмі людини. З цього списку виокремимо біфідобактерії (Bifidobacterium longum) та лактобактерії (Lactobacillus Johnsonii). Яка користь цих бактерій для організму людини?

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1—6

1. Хто такі археї? 2. Наведіть приклади архей. 3. Назвіть способи розмноження прокаріотів. 4. Що таке горизонтальне перенесення генів? 5. Що таке біоплівки? 6. Наведіть приклади симбіозу та антибіозу між бактеріями й іншими організмами.

7—9

7. Які особливості відрізняють архей від бактерій та еукаріотів? 8. Назвіть способи розмноження та обміну спадковою інформацією у бактерій. 9. Як бактерії взаємодіють між собою та з іншими організмами?

10—12

10. Оцініть позитивне й негативне значення бактерій для організму людини.