Бактерии — первые организмы, населившие нашу планету

Бактерии — первые организмы, населившие нашу планету. Это "мельчайшие прокариотические организмы, имеющие клеточное строение. Размеры бактерий колеблются от нескольких
десятых микрона до 10-13 мкм. Они содержатся в воздухе (на высоте до 40 000 м), почве, воде,
снегах полярных областей и горячих источниках с температурой около 90 "С. Особенно много их
в почве — от 200—500. млн до 2 млрд и более особей в 1 г, в зависимости от типа почв.
По форме и особенностям объединения клеток различают несколько морфологических
групп бактерий: шаровидные, называемые кокками, прямые палочковидные — бациллы, изогнутые — вибрионы, спирально изогнутые — спириллы,. Кокки, сцепленные попарно, получили
название — диплококки, соединенные в виде цепочки — стрептококки, в виде гроздей — стафилококки и др. Реже встречаются нитчатые формы (рис. 40).
используемой энергии автотрофами, различают фото- (зеленые и пурпурные) и хемосинтезирующие бактерии (нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии и др.). Гетеротрофные
бактерии питаются готовыми органическими веществами мертвых остатков (сапротрофы) или живых растений, животных и человека (паразиты и симбионты).
К сапротрофам относятся бактерии гниения и брожения. Первые расщепляют азотсодержащие, вторые — углеродсо-держащие соединения. В обоих случаях выделяется энергия, необходимая для их жизнедеятельности..
Роль бактерий в биосфере достаточно велика. Благодаря их жизнедеятельности происходит
разложение и минерализация органических веществ, отмерших растений и животных. Образовавшиеся при этом простые неорганические соединения (аммиак, сероводород, диоксид углерода и
др.) вовлекаются в общий круговорот веществ. Бактерии, вместе с грибами и лишайниками, участвуют в начальных стадиях почвообразовательных процессов.
Особую роль в природе играют азотфиксирующие бактерии. Населяя почву, такие бактерии
обогащают ее азотом. К ним относятся свободноживущий азотобактер и клубеньковые бактерии,
поселяющиеся на корнях бобовых и мимо-. зовых растений.
Бактерии играют положительную роль в хозяйственной деятельности человека. Молочнокислые бактерии используются в приготовлении разнообразных пищевых продуктов из молока:
сметаны, простокваши, кефира, масла, сыра.
Патогенные бактерии — возбудители опасных болезней у человека и животных: чумы, туляремии, сибирской язвы, пнев- • монии, дизентерии, туберкулеза и др.
Поражают бактерии и растения, вызывая у них так Называемые бактериозы (пятнистость,
увядание, ожоги, мокрые гнили, опухоли и др.),
Сапротрофные бактерии играют не только положительную роль, обеспечивая круговорот
веществ в природе, но и отрицательную, вызывая гниение продуктов питания.
Широко распространенными методами борьбы с гнилостными бактериями являются: высушивание плодов, грибов, мдса, рыбы, зерна; их охлаждение я замораживание в холодильниках и
ледниках; маринование продуктов в уксусной
кислоте; высокая концентрация сахара, например, при изготовлении варенья, что вызывает
плазмолиз в клетках бактерий и нарушает их жизнедеятельность; засолка.
Для уничтожения вегетативных форм бактерий и сохранения молока, вина, фруктовых соков и других продуктов применяется метод пастеризации — нагревание до 65 "С в течение 10-20
мин., а для освобождения среды от епорообразую-щих бактерий наибольший эффект дает метод
стерилизации — кипячение при повышенном давлении в автоклавах. В медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве используют метод дезинфекции (обработка Йодом, перекисью
водорода, борной кислотой и т. д.).
Цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Они представляют собой древнейшую, уникальную группу организмов. Многие свойства цианобактерий (фиксация азота, прижизненные выделения органических веществ и др.) определяют
--их чрезвычайно важную роль в биосфере. Отдел включает од, ноклеточные, колониальные и многоклеточные (нитчатые) организмы различной морфологической структуры: от микроскопических до видимых простым глазом (рис. 40). В цитоплазме
расположены фотрсинтезирующие ламмеллярные структуры и пигменты: хлорофилл а, каротиноиды, фикоби-лины, пигменты, отсутствующие у других фотосинтетиков. Благодаря разнообразию
пигментов цианобактерий способны к поглощению света различных длин волн.
Размножаются цианобактерий бесполым путем (одноклеточные — делением клеток, колониальные и нитчатые — рас; падением на отдельные участки, способные прорастать в новые организмы). Половой
процесс и подвижные жгутиковые формы и стадии не выявлены.
Цианобактерий распространены в пресных и соленых водах, на поверхности почвы, на скалах, в горячих источниках, входят в состав лишайников. Они обогащают почву органикой и азотом, являются кормом для зоопланктона и рыб, могут использоваться для получения ряда ценных
веществ, продуцируемых ими в процессе жизнедеятельности (аминокислоты, витамин В^, пигменты и др.). Некоторые — носток, спирулина— могут применяться в пищу. В период массового размножения цианобактерий в водоемах (так называемого «цветения воды») происходит процесс их
гниения: вода
приобретает неприятный запах и становится непригодной для питья; наблюдается массовая
гибель рыбы; на поверхности водоема образуется маслянистая грязно-зеленая пленка состоящая
из отмерших цианобактерий.
Царство Дробянки
Организмы, относящиеся к этому царству, характеризуются отсутствием ядра, окруженного мембраной. ДНК образует единственную нить, замкнутую в кольцо. Центриоли и митотическое
веретено отсутствуют, деление клеток осуществляется путем перетяжки. У дробянок нет пластид
и митохондрий. Основу клеточной стенки составляет гликопептид муреин (а не целлюлоза, как у
растений). Жгутиков обычно нет или они имеют простое строение. Питание гетеротрофное или
автотрофное. Половой процесс осуществляется в форме обмена генетическим материалом между
особями.
ПОДЦАРСТВО БАКТЕРИИ
Сюда относят две крупные группы бактерий:
эубактерии и архебактерии (от греч. «археос» — древний). Архебактерии резко отличаются
от истинных бактерий (эубактерии) химическим составом и физиологическими свойствами, сравнительно немногочисленны (обнаружено немногим более 40 видов). Некоторые признаки сближают архебактерии с эукариотами, другие — отличают их как от истинных бактерий, так и от
эукариот.
Рассмотрим строение и физиологию широко распространенных истинных бактерий, или
эубактерии.
Это одноклеточные организмы. Как у всех прокари-от, ядро у них отсутствует. Размер бактериальных клеток колеблется от 0,2 до 10 мкм, в редких случаях достигают в длину 30—100 мкм
(например, некоторые серные пурпурные бактерии). По форме выделяют шаровидные кокки, палочковидные бациллы, изогнутые вибрионы, извитые в виде спирали спирохеты и спириллы (рис.
78).
Многие бактерии неподвижны, другие имеют жгутики (от 1 до 50) и могут передвигаться.
Снабженные жгутиками бактерии двигаются довольно быстро: за секунду клетка может проходить расстояние, в 50 раз превышающее ее длину. Бактериальные клетки окружены плотной оболочкой — клеточной стенкой, благодаря которой сохраняют постоянную форму. Опорным каркасом клеточной стенки служит особый полимер — гликопептид муреин, покрывающий клетку одним или несколькими слоями. По составу и строению клеточной стенки бактерии существенно
отличаются от растений и животных. Многие виды бактерий образуют слизистую капсулу. Наличие капсулы обеспечивает устойчивость бактерий к фагоцитозу и тем самым повышает их болезнетворную активность. Таким образом, капсула служит для бактерий защитным покровом и, кроме того, предохраняет клетку от высыхания.
Под капсулой и клеточной стенкой располагается цитоплазматическая мембрана, которая
образует впя-чивания в цитоплазму и формирует мембранные комплексы, выполняющие функции,
аналогичные функциям митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи (подробнее о
строении прокариотической клетки см. с. 62). Путем впячивания наружной цито-плазматической
мембраны образуются также мембранные структуры, на которых располагаются пигменты, участвующие в фотосинтезе. (Вспомните, что у фото-трофных бактерий, использующих свет в качестве
источника энергии, фотосинтез происходит в анаэробных условиях и не сопровождается выделением кислорода.) В цитоплазме бактериальных клеток имеются включения, содержащие запасные
питательные вещества — крахмал, гликоген, жиры. Многие бактерии способны также запасать
фосфор в виде гранул полифосфатов и элементарную серу.
Большинство бактерий гетеротрофны, т. е. используют для питания готовые органические
соединения (мертвых тел или выделений других организмов) — сахара, аминокислоты, витамины.
Их называют сапро-трофами (от греч. «сапрос» — гнилой). Другие гетеро•Я^}
трофные бактерии живут за счет питательных веществ других организмов, в теле которых
они обитают. Их называют паразитами. Паразитизм у бактерий распространен очень широко.
Существуют бактерии, паразитирующие в теле бактерий других видов. К числу паразитических
бактерий, вызывающих заболевания у человека, относятся возбудители чумы, холеры, туберкулеза, дизентерии, дифтерии, менингита и многие другие. Встречаются так называемые хищные бактерии, захватывающие мелкие живые организмы (рис. 79).
Гетеротрофные бактерии получают энергию для биосинтеза путем окисления органических соединений (углеводов и др.). Этот процесс может происходить при участии кислорода (дыхание) или в анаэробных условиях (брожение). В зависимости от конечного продукта различают
несколько видов брожения. Так, спиртовое брожение заключается в расщеплении Сахаров (глюкозы, фруктозы) до этилового спирта и СО^ в присутствии фосфата. В суммарном виде уравнение реакции выглядит так:
CgH^Og -> 2СгН50Н + 2СО^ + 23,5 • 104 Дж.
Молочнокислые бактерии превращают сахара в молочную кислоту. Эти бактерии широко
используют для квашения молока и овощей (например, приготовление кислой капусты — результат молочнокислого брожения, осуществляющегося в анаэробных условиях).
Маслянокислые бактерии сбраживают углеводы, в том числе высокомолекулярные —
крахмал, гликоген, спирты, органические кислоты до масляной кислоты. В природных условиях
маслянокислое брожение осуществляется в громадных размерах на дне болот, в заболоченных
почвах, в илах, где ограничен доступ кислорода. Промежуточный продукт маслянокислого брожения — уксусная кислота, которая и включается в биологический круговорот веществ.
Необходимо отметить, что процессы брожения сопровождаются (помимо конечного) образованием побочных продуктов: ацетона, бутанола, изопроп илового спирта, глицерина и др.
В природных условиях большое значение имеют ме-танообразующие бактерии, которые
сбраживают спирты и органические кислоты в метан и СО^. Некоторые из них способны превращать в метан даже оксид углерода. Метанообразующие бактерии обитают в болотах, где они образуют «болотный газ» (метан). Метанообразующие бактерии замыкают любой цикл брожения.
Сначала другие бактерии сбраживают углеводы до жирных кислот, спиртов, СО^ и молекулярного
водорода, а затем уже эти продукты перерабатываются метанообра-зующими бактериями.
Значительная часть бактерий синтезирует органические вещества своего тела путем усвоения углекислоты. Такие организмы называются автотрофами. Эту группу бактерий делят на фототрофов, для которых источником энергии служит солнечный свет, и хемотрофов, использующих
для синтеза органических веществ собст264
венного тела энергию химических реакции — окислительных или восстановительных.
фототрофные бактерии (серные и несерные) — обитатели пресных и морских вод. Фотосинтез у них протекает в анаэробных условиях и не сопровождается выделением кислорода.
Хемотрофы могут быть аэробными и анаэробными организмами. К ним относятся нитрифицирующие бактерии, переводящие аммиак в нитриты и далее в нитраты, железобактерии, переводящие закисное железо (Fe2^ в окисное (Ре34"), водородные бактерии, окисляющие молекулярный водород, и др.
Размножаются бактерии путем деления, которое наступает после удвоения бактериальной
хромосомы — кольцевидной молекулы ДНК. Многие бактерии образуют споры путем формирования плотной оболочки вокруг молекулы ДНК с участком цитоплазмы. Споры обладают большой устойчивостью, сохраняя жизнеспособность в течение длительного времени.
Бактерии играют большую роль в разложении природных органических соединений. Вместе с другими деструкторами они разлагают целлюлозу либо выделяя в среду гидролитические
ферменты, либо тесно прилегая к ее волокнам и поглощая продукты гидролиза. Целлюлоза подвергается также сбраживанию с выделением этилового спирта, уксусной и молочной кислот, СС>2
и других соединений. Бактерии разлагают целлюлозу также в рубце желудка жвачных животных.
В результате их деятельности образуются значительные количества уксусной, масляной и других
кислот, а также большое количество газов — Нз, СО;,, СН4 (до 700 л в день).
ПОДЦАРСТВО СИ НЕЗЕЛЕНЫЕ ВОДОРОСЛИ
Синезеленые водоросли, или цианеи, широко распространены во всех средах жизни и способны существовать практически в любых условиях: при температуре -83 "С в Антарктиде и
+85—90 "С в горячих источниках.
265
Синезеленые водоросли относятся к прокариотам потому, что у них наследственный материал не отграничен от цитоплазмы и представлен единственной хромосомой. Цитоплазма и ее органоиды устроены просто и напоминают аналогичные структуры бактерий. У си-незеленых водорослей хорошо развит фотосинтетический аппарат и найдено около 30 различных внутриклеточных пигментов. Разнообразным и своеобразным составом фотоассимилирующих пигментных систем объясняется устойчивость синезеленых водорослей к продолжительному затемнению и анаэробным условиям. Частично этим же объясняется их существование в крайних (экстремальных) условиях: в пещерах, богатых сероводородом слоях придонного ила, в минеральных
источниках. Продуктом фотосинтеза в клетках си-незеленых водорослей является гликопротеид,
который отлагается в цитоплазме в виде зерен. Образуются также гранулы липопротеидов и протеинов. В цитоплазме обитателей серных водоемов находится сера. В клетках синезеленых водорослей часто встречаются газовые вакуоли. По форме клетки этих водорослей бывают двух видов:
округлые или сильно вытянутые, уплощенные (рис. 80).
Во всех случаях они имеют толстые многослойные стенки, часто одеты слизистым чехлом.
Клетки живут отдельно или образуют нити и колонии (рис. 81).
Основной способ размножения — деление клеток надвое или образование спор. Споры, покрытые толстой оболочкой, помогают переносить неблагоприятные условия среды и длительное
время сохраняют жизнеспособность.
Помимо способности к фотосинтезу многие виды
синезеленых водорослей могут фиксировать атмосферный азот. Обусловленная этим пищевая независимость позволяет им заселить необитаемые (без следов почвы) скалы. Синезеленые
водоросли первыми осваивают безжизненные местообитания — лавовые потоки, вулканические
острова.
Отрицательная роль этих организмов заключается в вызываемом ими цветении воды, так
как вода в этом случае становится непригодной для употребления и ухудшает условия жизни других обитателей водоемов. Некоторые азотфиксирующие виды вносят на рисовые поля с целью
обогащения их соединениями азота.
267
ПоказаИх характеристика
Микроскопические одноклеточные,
тели Размеры
Среда
Все среды: наземно-воздушная (до 25
0,2 - Юмкм.
обитания
км над уровнем моря), почвенная (до Зкм),
организменная.
Форма водная,Кокки,
бациллы, вибрионы, спириллы.
клеток
Строение клетки
Снаружи от плазматической мембраны клетка покрыта клеточной стенкой из муреина. Клетки некоторых видов бактерий
имеют капсулу из слизи. Все бактериальные
клетки не имеют оформленного ядра, их генетический аппарат- нуклео ид- представлен
кольцевой молекулой ДНК, не связанной с
белками, которая находится в цитоплазме.
Впячивания цитоплазматической мембраны,
называемые мезосомами, выполняют функции, аналогичные функциям мктохондрий,
комплекса Гольджи, ,: ЭПС. В цитоплазме
бактериальных клеток содержится множество
рибосом и различные включения. Бактерии
могут быть бесцветными или содержать пигменты.
ПереНеподвижны или передвигаются с подвижение
мощью жгутиков.
Питание
Автотрофы (фототрофы и хемотрофы)
и гетеротрофы (сапротрофы, паразиты, симбионты).
Дыхание
Аэробы и анаэробы.
РазмноБинарное деление клетки.
СпороУ некоторых (бациллы, клостридиум),
жение
образование
для переживания неблагоприятных условий.
РаздраВ форме двигательных реакций - такжимость
сисов (хемотаксис, аэротаксис, фототаксис и
др.).
МногоЦарства Архебактерии и Эубактерии.
образие
Для справки.
Роль бактерий в природе и жизни человека
1) Играют ведущую роль в процессах круговорота биогенных веществ
.• в биосфере.
2) Осуществляя минерализацию погибших организмов, образуют вещества, доступные
для усвоения растениями, как в виде минеральных солей в почве, так и в виде углекислого газа,
необходимого для
фотосинтеза.
3) Осуществляют биологическую фиксацию молекулярного азота
(азотфиксирующие: азотобактер, клубеньковые).
4) Освобождают окружающую среду от мёртвых тел и токсических соединений: аммиака, сероводорода, метана, угарного газа, нефтепродуктов и др.
5) Играют важную роль в сохранении озонового экрана (пурпурные и
зелёные бактерии).
6) Осуществляя минерализацию погибших организмов, повышают
, плодородие почвы. "7) Накапливая в своих организмах химические элементы, участвуют
в
образовании залежей серы, железа и др. полезных ископаемых (серобактерии, железобактерии и др.), а также ряд бактерий участвует
в образовании торфа и угля.
,
8) Симбиотические бактерии образуют вещества, полезные для организма хозяина (би-
фидобактерии, лактобактерии, азотфиксирующая бактерия ризобиум) или расщепляют вещества, которые организм хозяина не способен утилизировать (целлюлозоразрушающие бактерии
в пищеварительном тракте жвачных, термитов).
9) Бактерии молочнокислого брожения используются для приготовления молочнокислых продуктов, для силосования кормов, квашения
капусты, засолки огурцов и помидоров.
10) Бактерии уксуснокислого брожения используются для получения винного уксуса,
который применяется для маринования плодов и
овощей.
11) Используются в микробиологической промышленности для получения витаминов,
антибиотиков и других лекарственных препаратов (инсулина, интерферона и др.), аминокислот,
полисахаридов, кормового белка, биологических средств защиты растений, стимуляторов роста
и др.
12) Используются для приготовления лечебных сывороток и вакцин.
13) Являются возбудителями заболеваний растений, животных, человека (чумная палочка, пневмококки).
14) Бактерии гниения и брожения приводят к порче продуктов.
15) С жизнедеятельностью некоторых бактерий связано биологическое разрушение многих промышленных материалов (дерево, бумага,
картон и др.)
Схема 22