Прокариоты и эукариоты – кто это такие, в чем между ними разница, кто лучше приспособлен к жизни
У эукариотов в клетках есть ядро, у прокариотов нет ядра.
Прокариоты – это такие живые организмы, в клетках которых нет ядра. У эукариотов, наоборот, все клетки с ядрами внутри. Это самое главное отличие, но есть и ряд других, более мелких. Давайте разбираться.
Какие организмы относятся к прокариотам, а какие – к эукариотам
Смотрите, есть организмы одноклеточные и многоклеточные. У одноклеточных весь организм – это всего лишь одна клетка. У многоклеточных (например, у дождевого червя, свиньи, человека) клеток много.
Если организм одноклеточный и он прокариотический (то есть у него нет ядра в этой одной клетке) – это бактерия.
Если он одноклеточный, но с ядром – это простейшее. К простейшим относятся, например, амебы, инфузории, эвглены и другие.
Если он многоклеточный, то он однозначно эукариот, потому что многоклеточных прокариот не бывает. Какой именно эукариот – надо уже смотреть, это может быть и растение, и гриб, и животное.
Получается вот такая схема:
Все организмы были поделены на прокариотов и эукариотов французским биологом Эдуардом Шаттоном в первой половине 20 века. А точнее в 1925 году.
В школе достаточно описывать всех существующих организмов по моей схеме. Но вы можете еще добавить, что кроме бактерий к прокариотам относятся так называемые археи. Это почти те же бактерии, но у них есть некоторые различия в генетическом аппарате, в процессе синтеза белков и пр.
Да и по образу жизни они не очень совпадают – археи могут жить в среде, кислотность которой в 8 раз превышает кислотность желудочного сока. Некоторые из них способны размножаться только при температуре больше 100 градусов по Цельсию.
Что общего у клеток эукариот и прокариот
У них у всех есть цитоплазматическая мембрана. Это как бы оболочка, которая отделяет клетку от окружающей среды, защищает ее.
Внутри клетки у прокариот и эукариот есть цитоплазма – жидкость, которая связывает между собой все компоненты клетки, обеспечивает питание каждого органоида.
Чтобы любые клетки могли делиться (то есть размножаться), нужны ДНК (или РНК) и рибосомы. Рибосомы – это органоид в клетке, который, как фабрика, выпускает разные белковые соединения.
Итак, общее: цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, рибосомы, ДНК (или РНК).
Как они питаются
Большинство прокариот – гетеротрофы. Они не умеют из неорганических веществ делать органические, поэтому потребляют их в готовом виде. Так поступает, например, кишечная палочка, которая «кормится» в нашем организме и в благодарность создает для нас витамин К.
Так питаются и возбудители многих заболеваний, которые могут полностью уничтожить организм человека и животного, если вовремя их не вылечить.
Есть среди прокариотических организмов и небольшое количество автотрофов. Например, есть цианобактерии, которые могут на свету создавать органические вещества. Еще есть бактерии, которые умеют разлагать сероводород и использовать эту энергию для синтеза органики. Они тоже автотрофы.
Какую роль они играют в круговороте органики
Большая часть прокариотов являются редуцентами – то есть они разлагают мертвую органику. Причем разлагают ее так, что от органики вообще ничего не остается. Органическое вещество полностью превращается в неорганическое.
Чем различаются клетки эукариот и прокариот
У эукариот ДНК находится в ядре. У прокариот ядра нет, поэтому ДНК (или РНК) находится прямо в цитоплазме. Ее принято называть «нуклеоидом».
ДНК прокариот имеет кольцевую форму, а у эукариот ДНК линейные и собраны в хромосомы.
Рибосомы прокариот меньше по размерам, чем таковые у эукариот.
Эукариотическая клетка содержит еще кучу всяких органоидов, которых нет у доядерных организмов. Например, в клетке есть аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть (сокращенно – ЭПС), митохондрии, у растений еще есть хлоропласты, вакуоли с клеточным соком и так далее.
Как видите, строение клеток ядерных организмов намного более сложное.
Бывают ли у эукариот клетки без ядра
Да. Например, у человека есть три типа клеток крови: лейкоциты (которые обеспечивают иммунитет), эритроциты (переносят кислород) и тромбоциты (обеспечивают свертывание крови). Так вот, ядро есть только у лейкоцитов, остальные клетки его не содержат.
Но. Обратите внимание, клетки крови – это ведь не самостоятельный организм, это часть нашего организма, все остальные клетки которого – ядерные.
То есть эритроциты и тромбоциты – это не как бактерии, которые живут сами по себе, поодиночке.
К кому относятся вирусы
Ни к кому. Это вообще особая форма жизни. Вирусы в отличие от прокариот и эукариот – неклеточные существа, у них есть белковая оболочка, но клетки как таковой нет.
Как появились вирусы – никто не знает. Первыми организмами в эволюционной цепочке они быть не могли, прокариоты упроститься до вирусов тоже вряд ли могли.
Вопросы есть, ответов нет.
Кто лучше приспособлен к жизни
Считается, что прокариоты – самые низкоорганизованные живые существа. Они появились на земле первыми и были самыми простыми. От них впоследствии произошли эукариоты – более приспособленные, более развитые.
Но возникает вопрос. Если эволюция действительно есть, то эукариоты должны были вытеснить прокариотов. Бактерии в принципе должны были перестать существовать. Однако сегодня суммарная масса всех бактерий превышает массу растений и животных взятых вместе.
Вам это не кажется странным?
Споры бактерий ученые обнаруживают в воздухе на высоте 15 километров. Их достают из вечной мерзлоты, которой больше 3 миллионов лет, помещают в питательную среду и бактбакерии (которые 3 миллиона лет пролежали подо льдом!) оживают.
Такие выводы заставляют меня задумываться еще кое о чем. Была ли вообще эволюция? Правдивы ли гипотезы о том, что из одноклеточных прокариотов появились эукариоты, которые потом стали многоклеточными и развивались, развивались, развивались так, что доразвились в итоге до человека?
Прокариотическая клетка – определение, примеры и структура
Прокариотическое определение клеток
Прокариотические клетки – это клетки, которые не имеют настоящего ядра или мембраносвязанных органелл. Организмы внутри доменов бактерии и археи имеют прокариотические клетки, в то время как другие формы жизни являются эукариотическими. Однако организмов с прокариотическими клетками в изобилии и составляют большую часть биомассы Земли.
Прокариотические клетки Обзор
Все реакции в пределах прокариот следовательно, имеют место в рамках цитоплазма клетки. Хотя это делает клетки немного менее эффективными, прокариотические клетки все еще обладают замечательной репродуктивной способностью. Прокариот размножается через двойное деление процесс, который просто расщепляет дублированную ДНК на отдельные клетки. Без каких-либо органелл или сложных хромосом для размножения большинство прокариотических клеток могут делиться каждые 24 часа или даже быстрее при достаточном запасе пищи.
Хотя многие прокариотические клетки адаптировались к свободному существованию в окружающей среде, многие другие приспособились жить в кишечнике других организмов. Эти комменсальные организмы выжить, разрушая молекулы внутри кишечника и позволяя организм они живут в способности переваривать более широкий спектр продуктов. Например, кишечник человека содержит 2-3 фунта бактерий, которые эволюционировали, чтобы помочь нам переваривать сложные углеводы, белки и жиры.
Примеры прокариотических клеток
Бактериальные клетки
Бактерии – это одноклеточные микроорганизмы, которые встречаются почти повсюду на Земле, и они очень разнообразны по своей форме и структуре. На Земле живет около 5 × 1030 бактерий, в том числе и в наших телах; в кишечнике человека бактерии превосходят численность клеток человека 10: 1.
клеточные стенки бактерии содержат пептидогликана, молекула из сахара и аминокислоты это дает клеточная стенка его структура и толще у некоторых бактерий, чем у других. Бактерии содержат определенные структуры, уникальные для них, как упоминалось ранее, такие как капсула, жгутики и пили. У большинства бактерий есть только один хромосома это круговое число, которое может варьироваться от около 160 000 пар оснований (п.н.) до 12 200 000 п.н. Они также содержат плазмиды, которые представляют собой небольшие круглые кусочки ДНК, которые реплицируются независимо от хромосомы.
Некоторые бактерии могут образовывать эндоспоры. Это жесткие, бездействующие структуры, к которым бактерии могут довести себя в условиях голода, когда недостаточно питательных веществ. Они не нуждаются в питательных веществах и устойчивы к экстремальным температурам, УФ-лучам и химическим веществам. Когда условия окружающей среды снова становятся благоприятными, эндоспора может снова активироваться.
Археальные клетки
Археи похожи по размеру и форме на бактерии, и они также одноклеточные. Поскольку бактерии и археи являются двумя типами прокариот, это означает, что все прокариоты одноклеточные. Некоторые археи встречаются в экстремальных условиях, таких как горячие источники, но их можно найти в самых разных местах, таких как почвы, океаны, болота и другие организмы, включая людей.
Как бактерии, археи могут иметь клеточную стенку и жгутики. Однако структура этих органелл различна. Например, клеточные стенки архей не содержат пептидогликана. Кроме того, жгутики архей работают так же, как жгутики бактерий, но они развивались из разных структур. Мембраны архей очень отличаются от мембран всех других форм жизни; они содержат разные липиды, которые имеют разную стереохимию. Археи обычно имеют одну круговую хромосому, как бактерии. Археальная хромосома может варьироваться от менее чем 491 000 до около 5 700 000 пар оснований. Они также могут содержать плазмиды. Об архее известно меньше, чем о бактериях; они не были классифицированы как отдельная группа прокариот до 1977 года.
Прокариотическая клеточная структура
Прокариотические клетки не имеют истинного ядра, которое содержит их генетический материал, как у эукариотических клеток. Вместо этого прокариотические клетки имеют нуклеоидная область, который является областью неправильной формы, которая содержит ДНК клетки и не окружена ядерной оболочкой. Некоторые другие части прокариотических клеток сходны с таковыми в эукариотических клетках, таких как клеточная стенка, окружающая клетку (которая также обнаружена в растение клетки, хотя и имеет другой состав).
Подобно эукариотическим клеткам, прокариотические клетки имеют цитоплазму, гелеобразное вещество, которое составляет «наполнение» клетки, и цитоскелет который удерживает компоненты клетки на месте. Как прокариотические клетки, так и эукариотические клетки имеют рибосомы, которые представляют собой органеллы, которые продуцируют белки, и вакуоли, небольшие пространства в клетках, которые хранят питательные вещества и помогают устранить потери.
У некоторых прокариотических клеток есть жгутики, которые представляют собой структуры в виде хвоста, которые позволяют организму перемещаться. Они также могут иметь пили, маленькие волосоподобные структуры, которые помогают бактериям прилипать к поверхностям и могут позволять переносить ДНК между двумя прокариотическими клетками в процессе, известном как конъюгация. Другая часть, которая найдена в некоторых бактериях, является капсулой. Капсула представляет собой липкий слой углеводов, который помогает бактериям прилипать к поверхностям вокруг себя.
Прокариотическая клеточная диаграмма
Следующее изображение представляет собой диаграмму прокариотической клетки; в этом случае бактерия.
Характеристики прокариотических клеток
Все прокариотические клетки имеют нуклеоиде область, ДНК и РНК как их генетический материал, рибосомы, которые производят белки, и цитоплазма, которая содержит цитоскелет, который организует и поддерживает части клетки. Прокариотические клетки проще, чем эукариотические, а организм, который является прокариотом, одноклеточный; он состоит только из одной прокариотической клетки.
Длина прокариотических клеток обычно составляет от 0,1 до 5 микрометров (от 0,00001 до 0,005 см). Эукариотические клетки, как правило, намного больше, от 10 до 100 микрометров. Прокариотические клетки имеют более высокое отношение площади поверхности к объему, потому что они меньше, что позволяет им получать большее количество питательных веществ через их плазматическая мембрана.
Прокариотические клетки
В отличие от эукариотических клеток, прокариотические клетки не имеют четко выраженных органелл, связанных мембранами. Вместо этого многие реакции, которые проводит клетка, происходят внутри цитоплазмы клетки. На самом деле, есть 2 основных компонента, которые присутствуют во всех прокариотических клетках.
Первый клеточная мембрана, Это слой фосфолипид молекулы, которые отделяют внутреннюю часть клетки от внешней. Хотя они не присутствуют у всех прокариот, многие секретируют клеточную стенку, используемую для защиты и размещения клетки в дополнительном слое белков и структурных молекул.
Вторая часть, обнаруженная во всех прокариотических клетках, – это ДНК. ДНК является основным планом всей жизни и находится во всех клетках. У прокариот ДНК часто принимает форму большого кольцевого генома. Это можно сравнить с организованными хромосомами, которые обычно находятся в эукариотах. Этот большой круг ДНК определяет, какие белки создает клетка, и регулирует действия клетки.
Другие прокариотические клетки могут иметь большое количество разных частей, такие как реснички и жгутики, чтобы помочь им передвигаться. Хотя эти структуры похожи по функциям на те, которые обнаруживаются у эукариот, они часто имеют другую структуру. Это говорит о том, что два типа клеток подверглись очень различным процессам отбора и независимо включали структуры.
Как прокариотические клетки делятся?
Прокариотические клетки делятся через процесс двойное деление, В отличие от митоз этот процесс не включает конденсация ДНК или дублирование органелл. Прокариотические клетки имеют только небольшое количество ДНК, которая не сохраняется в сложных хромосомах. Кроме того, нет никаких органелл, так что нечего делить.
Когда прокариот растет до больших размеров, процесс двойное деление происходит. Этот процесс дублирует ДНК, а затем разделяет каждую новую цепь ДНК на отдельные клетки. Этот процесс проще, чем митоз, и как таковые бактерии могут размножаться гораздо быстрее.
Прокариоты. Строение, форма клеток, размножение, питание
» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>
Прокариоты
К царству прокариот относятся организмы, которых обычно называют бактериями. Это — наидревнейшая группа, появившаяся примерно 3,5 млрд. лет назад; к тому же это и мельчайшие организмы, обладающие клеточной структурой. Свойства прокариот суммированы в табл. 2.2. Как правило, прокариоты представлены одиночными клетками, хотя сине-зеленые водоросли (цианобактерии, Cyanobacteria) могут образовывать цепочки клеток, называемые нитями.
Некоторые бактерии прилипают друг к другу, образуя характерные скопления, напоминающие гроздья винограда (рис. 2.10), однако объединившиеся клетки остаются абсолютно независимыми друг от друга. Индивидуальную бактериальную клетку можно увидеть только с помощью микроскопа, почему их и называют микроорганизмами. Наука, изучающая бактерий — бактериология — составляет важную ветвь микробиологии.
Бактерии различаются по своим размерам: их длина колеблется от 0,1 до 10 мкм, а диаметр в среднем составляет — 1 мкм. Таким образом, в бактериальной клетке достаточно места, чтобы поперек нее уместилось 200 молекул глобулярных белков среднего размера (5 нм в диаметре).
Поскольку такие молекулы способны диффундировать примерно на расстояние 60 мкм в секунду, никаких специальных механизмов транспорта этим организмам не нужно.
Бактерий можно обнаружить повсюду: в почве, и в пыли, в воде и в воздухе, внутри и на поверхности животных и растений. Некоторые бактерии поселяются в горячих источниках с температурой 78 °С или выше. Другие способны выжить при очень низких температурах и даже пережить определенные периоды замораживания во льду. Встречаются бактерии и в глубоких расселинах на дне океана при очень высоком давлении и температуре 360 °С. С них начинаются уникальные пищевые цепи в этих областях океана.
Число бактерий невообразимо велико; установлено, что в одном грамме плодородной почвы содержится 2,5 млрд. бактерий; в 1 см 3 свежего молока их содержание может превышать 3 млрд. Вместе с грибами бактерии имеют жизненно важное значение для всех других организмов, поскольку, разрушая в результате своей жизнедеятельности органические вещества, они обеспечивают циркуляцию биогенных элементов в природе. Кроме того, они приобретают все более важное значение в жизни человека, и не только потому, что некоторые из них являются возбудителями различных болезней, но и потому, что в силу разнообразия протекающих в них биохимических реакций они могут использоваться во многих биотехнологических процессах.
2.3.1. Строение бактерий
На рис. 2.5 показано строение обобщенной бактерии — типичной прокариотической клетки. На рис. 2.6, А–Г изображена широко известная палочковидная бактерия Escherichia coli. Обычно она совершенно безвредна. Ее наличие в воде может использоваться в качестве очень надежного показателя загрязнения воды фекалиями. Из всех бактерий E. coli изучена лучше всего. Кроме того, это одна из бактерий, генетическая карта которых установлена полностью. Обратите внимание, что у E. coli намного меньше видимых внутриклеточных структур, чем в эукариотической клетке (рис. 5.10 и 5.11). На рис. 2.7 показана другая палочковидная бактерия, у которой в отличие от E. coli имеется жгутик.
Клеточная стенка
Клеточная стенка бактерий — структура довольно прочная и позволяет клетке сохранять свою форму; это обусловлено наличием в ней муреина — молекулы, построенной из параллельных полисахаридных цепей, перекрестно связанных через регулярные интервалы короткими цепями аминокислот. Таким образом, каждая клетка окружена как бы сетчатым мешком, представляющим на деле одну огромную молекулу. Клеточная стенка предохраняет клетку от разрыва при поступлении в нее воды (например, в результате осмоса). Ионы воды и малые молекулы попадают в клетку через мельчайшие поры в клеточной стенке.
В 1884 г. датский биолог Кристиан Грам разработал метод окрашивания, с помощью которого было установлено, что бактерии подразделяются на две естественные группы, что, как теперь стало известно, обусловлено различиями в строении их клеточной стенки. Одни бактерии, окрашивающиеся по Граму, получили название грамположительных, другие, не окрашивающиеся, — грамотрицательных.
У грамположительных бактерий, таких как Staphylococcus, Bacillus и Lactobacillus в муреиновую сетку встроены другие компоненты, в основном полисахариды и белки, что делает клеточную стенку сравнительно толстой. У грамотрицательных бактерий, таких как Salmonella, E.coli и Azotobacter, клеточная стенка тоньше и имеет более сложное строение (рис. 2.8). Муреиновый слой у этих бактерий снаружи покрыт гладким тонким мембраноподобным слоем липидов и полисахаридов, защищающим клетки от лизоцима — антибактериального фермента, содержащегося в слезах, слюне и других биологических жидкостях, а также в белке куриного яйца.
Лизоцим расщепляет полисахаридный каркас муреина, что приводит к продырявливанию клеточной стенки и лизису клетки, т. е. к ее осмотическому набуханию и разрыву. Липидно-полисахаридный слой обусловливает также устойчивость грамотрицательных бактерий к пенициллину. Этот антибиотик блокирует образование перекрестных сшивок в муреине растущих грамположительных бактерий, что делает их клетки более чувствительными к осмотическому шоку.
Плазматическая мембрана, мезосомы и фотосинтетические мембраны
Как и у всех других организмов, живое вещество бактериальной клетки окружено полупроницаемой мембраной. По строению и функциям плазматическая мембрана бактериальных клеток не отличается от плазматических мембран эукариотических клеток (разд. 5.9). Она служит также местом локализации дыхательных ферментов, а у некоторых бактерий она образует мезосомы и(или) фотосинтетические мембраны.
Мезосомы— складчатые структуры, представляющие собой впячивания плазматической мембраны клетки (рис. 2.5). Во время клеточного деления мезосомы, по-видимому, ассоциируются с ДНК, что обеспечивает разделение двух дочерних молекул ДНК после репликации и способствует образованию перегородки между дочерними клетками.
У фотосинтезирующих бактерий в мешковидных, трубчатых или пластинчатых впячиваниях плазматической мембраны содержатся фотосинтетические пигменты (в том числе обязательно бактериохлорофилл). Сходные мембранные образования участвуют и в фиксации азота.
Генетический материал (бактериальная «хромосома»)
Бактериальная ДНК представляет собой одиночную кольцевую молекулу длиной около 1 мм (т. е. она значительно длиннее, чем сама клетка), состоящую примерно из 5 млн. пар оснований.
Суммарное содержание ДНК (геном), а следовательно, и количество закодированной в ней информации, в бактериальной клетке значительно меньше, чем в эукариотической: в типичном случае у бактерии ДНК содержит несколько тысяч генов, что в 500 раз меньше, чем в клетке человека (см. также табл. 2.2 и рис. 2.5).
Рибосомы
Рибосомы служат местом синтеза белков (см. табл. 2.2 и рис. 5.5).
Капсулы
У некоторых бактерий слизистые или клейкие секреты образуют капсулы; капсулы хорошо видны после негативного контрастирования (когда окрашивают не препарат, а фон). Иногда эти секреты служат для формирования колоний из одиночных бактерий. С помощью секретов бактерии приобретают способность прилипать к различным поверхностям, таким как зубы, частицы ила или скалы. Кроме того, капсулы обеспечивают дополнительную защиту для бактериальной клетки. Так, например, капсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме человека, вызывая воспаление легких, тогда как некапсулированные штаммы легко атакуются и разрушаются фагоцитами и поэтому совершенно безвредны.
Споры
Некоторые бактерии, главным образом относящиеся к родам Clostridiumи Bacillus, образуют эндоспоры (т. е. споры, которые располагаются внутри клеток). Споры представляют собой толстостенные долгоживущие образования, отличающиеся очень высокой устойчивостью, особенно к нагреванию, коротковолновому облучению и высушиванию. Локализация спор в клетке бывает различной и служит важным признаком для идентификации и классификации бактерий (см. рис. 2.10).
Жгутики
Многие бактерии подвижны, что обусловлено наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутик — это простой полый цилиндр, образуемый одинаковыми белковыми молекулами.
Несмотря на волнистую форму, они довольно жестки (рис. 2.7). Подвижность бактерий достигается вращением основания жгутика; получается, что жгутик как бы ввинчивается в среду, не совершая беспорядочных биений, и таким образом продвигает бактерию за собой. В качестве примеров бактерий, имеющих жгутики, приведем Rhizobium (один жгутик) и Azotobacter (много жгутиков); обе бактерии участвуют в круговороте азота в природе.
Подвижные бактерии могут передвигаться в ответ на определенные раздражители, т. е. они способны к таксису. Аэробные бактерии, например, перемещаются в направлении увеличения концентрации кислорода в среде (проявляют положительный аэротаксис), а подвижные фотосинтезирующие бактерии плывут к свету (проявляют положительный фототаксис).
Жгутики лучше всего видны в электронном микроскопе при использовании метода напыления (рис. 2.7).
Пили
На клеточной стенке некоторых грамотрицательных бактерий видны многочисленные тонкие палочковидные выросты, которые называются пили, или фимбрии (рис. 2.7). Пили короче и тоньше жгутиков и служат для прикрепления к специфическим клеткам или поверхностям. Известны различные типы пилей, но наибольший интерес вызывают F-пили, участвующие в половом размножении (разд. 2.3.3).
Плазмиды
Помимо единственной молекулы ДНК, имеющейся у всех бактерий, у некоторых из них обнаруживается еще одна или более плазмид (рис. 2.9).
Плазмида — это небольшая кольцевая молекула дополнительной ДНК, способная к саморепликации. Плазмида несет в себе всего несколько генов, обусловливающих повышенную выживаемость клеток. Некоторые плазмиды делают клетку устойчивой к антибиотикам.
Например, в клетках некоторых стафилококков содержится плазмида, несущая ген пенициллиназы — фермента, расщепляющего пенициллин.
В результате клетка оказывается устойчивой к пенициллину. Распространение таких генов при конъюгации находит важное применение в медицине. Известны и другие плазмидные гены, в частности гены,
2.3.2. Форма клеток
Форма бактериальной клетки является одним из важнейших систематических признаков. Четыре основных типа клеток приведены на рис. 2.10. На этом же рисунке указаны как полезные, так и болезнетворные бактерии.
2.3.3. Размножение
Индивидуальный рост и бесполое размножение
Соотношение поверхность/объем у бактериальных клеток очень велико, что способствует быстрому поглощению питательных веществ из окружающей среды за счет диффузии и активного транспорта. Поэтому в благоприятных условиях бактерии способны расти очень быстро. Рост бактериальных клеток в большой степени зависит от таких факторов среды, как температура, наличие питательных веществ, pH среды и концентрация ионов. Кроме того, облигатным аэробам необходим кислород, а облигатным анаэробам необходимо, чтобы его не было.
Достигнув определенных размеров, диктуемых соотношением объемов ядра и цитоплазмы, бактерии переходят к бесполому размножению путем простого деления, т. е. путем деления на две идентичные дочерние клетки (рис. 2.11).
Клеточному делению предшествует репликация ДНК, причем до тех пор, пока процесс репликации не завершится, мезосомы могут удерживать ДНК в определенном положении (рис. 2.5 и 2.6, В). Мезосомы могут прикрепляться и к новым перегородкам, образующимся между дочерними клетками, участвуя каким-то образом в синтезе материала клеточной стенки. У самых быстрорастущих бактерий деление происходит через каждые 20 мин.
Половое размножение
В 1946 г. у бактерий было обнаружено половое размножение, но в самой примитивной форме. Гамет в данном случае не образуется, однако наиважнейшее событие полового размножения, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот процесс называется генетической рекомбинацией. Генетическая рекомбинация впервые была обнаружена при изучении E.coli. В норме при наличии в среде достаточного количества глюкозы и неорганических солей E.coli сама синтезирует все необходимые ей аминокислоты. В результате облучения этих бактерий у них иногда возникают случайные мутации. Были выделены два типа мутантов: один, не способный синтезировать биотин (витамин) и аминокислоту метионин, и другой — не способный синтезировать аминокислоты треонин и лейцин. В среду, не содержавшую всех четырех факторов роста, помещали по 10 8 клеток каждого мутантного штамма. Теоретически клетки не должны были расти на этой среде. Однако все же было получено несколько сотен колоний (каждая колония возникает из одной исходной клетки), причем оказалось, что в таких клетках имеются все гены, необходимые для образования этих четырех факторов роста. Следовательно, в клетках каким-то образом произошел обмен генетической информацией, но выделить вещество, ответственное за этот процесс, в то время не удалось. В конце концов было установлено (при помощи электронного микроскопа), что клетки E.coli могут непосредственно контактировать друг с другом, т. е. у них может происходит конъюгация (рис. 2.12).
Таким образом, при конъюгации происходит перенос ДНК между клетками в результате прямого контакта. Одна клетка в этом случае служит донором («мужская» клетка), другая — реципиентом («женская» клетка). Способность клетки служить донором определяется генами, содержащимися в особой плазмиде, называемой половым фактором или F-фактором (F от англ. fertility — плодовитость). В этих генах закодирован белок специфических пилей, называемых F-пилями или половыми пилями. F-пили участвуют в межклеточном контакте при конъюгации. Пили — структуры полые и предполагается, что именно по этим пилям осуществляется перенос ДНК от донора (F + ) к реципиенту (F – ).
Процесс этот показан на рис. 2.13.
Hfr-штаммами (от англ. H — High — высокая, f — frequency — частота, r — recombination — рекомбинация), потому что донорная ДНК таких штаммов рекомбинирует с ДНК реципиента.
2.3.4. Питание
Питание — это процесс приобретения энергии и веществ. Основываясь на природе необходимого источника энергии или источника углерода — наиважнейшего элемента для роста, — живые организмы можно подразделить на несколько групп. Для синтеза органических соединений живые организмы способны использовать только два вида энергии: энергию света и энергию химических связей. Организмы, использующие световую энергию, называются фототрофами, а организмы, использующие только химическую энергию — хемотрофами. Фототрофы осуществляют фотосинтез.
Как уже говорилось, организмы разделяют также на автотрофные и гетеротрофные — в зависимости от того, какой источник углерода они используют: неорганическое соединение (диоксид углерода) или разнообразные органические вещества. Таким образом, можно выделить четыре типа питания (табл. 2.3). Среди бактерий встречаются представители всех четырех типов. Наибольшую группу образуют хемогетеротрофные бактерии.
Хемогетеротрофные бактерии
Бактерии этого типа получают энергию из поступающих с пищей химических соединений.
Они способны использовать огромное множество различных веществ. Среди хемогетеротрофных бактерий можно выделить три основные группы, а именно сапротрофы, мутуалисты и паразиты.
Сапротрофы представлены организмами, извлекающими питательные вещества из мертвого разлагающегося материала. Для разложения органического материала сапротрофы выделяют на него ферменты. Таким образом, переваривание пищи у них происходит вне организма. Образующиеся при этом растворимые продукты поступают в тело сапротрофа и там ассимилируются.
Мутуализмом (или симбиозом) называют любую форму тесной взаимосвязи между двумя живыми организмами, выгодной для обоих партнеров. Примером бактериального мутуализма может служить Rhizobium — бактерия, способная фиксировать азот и живущая в корневых клубеньках бобовых растений, например гороха и клевера, или Escherichia coli, обитающая в кишечнике человека и, вероятно, поставляющая человеку витамины группы B и K.
Паразитом называют любой организм, живущий внутри тела или на теле другого организма (хозяина), от которого он получает пищу и, как правило, убежище. Хозяевами могут служить представители самых различных видов, причем паразиты наносят ощутимый вред своим хозяевам. Паразиты, вызывающие болезни, называют патогенами. Некоторые из них приведены на рис. 2.10. Одни паразиты, называемые облигатными, могут жить и расти только в живых клетках. Другие, называемые факультативными, заражают хозяина, вызывают его гибель и затем живут на его остатках как сапротрофы. Паразиты отличаются чрезвычайной разборчивостью в пище, поскольку они нуждаются во «вспомогательных факторах роста», которые не способны синтезировать сами, но могут получать только от своих хозяев.
Фотоавтотрофные бактерии
Примерами фотоавтотрофных бактерий могут служить цианобактерии, называемые также сине-зелеными бактериями. Водоросли и растения также являются фотоавтотрофами. Все они осуществляют фотосинтез и используют углекислый газ (CO2) в качестве единственного источника углерода (табл. 2.3).
Процесс фотосинтеза впервые появился у бактерий, возможно именно у цианобактерий. Как мы увидим далее, хлоропласты водорослей и наземных растений представляют собой, по-видимому, потомков некогда свободноживущих фотосинтезирующих бактерий, поселившихся в свое время в гетеротрофных клетках.
Цианобактерии широко распространены в поверхностных водах морей и пресных водоемов. Кроме того, они обнаружены в слизистых подушковидных образованиях на затененных почвах, на скалах, в иле, на древесине и в некоторых живых организмах. Большинство цианобактерий представлены одиночными клетками, хотя некоторые из них объединяются, образуя покрытые слизью нити, например Anabaena и Spirulina. В отличие от большинства бактерий они, подобно водорослям и растениям, способны к фотосинтезу, а, следовательно, и к выделению кислорода из воды. На рис. 2.14 показано строение типичной цианобактерии Anabaena.
Как видно из рисунка, толщу цитоплазмы характерным образом пронизывают фотосинтетические мембраны, на которых располагаются фотосинтетические пигменты. Пигменты представлены хлорофиллом а, похожим на пигмент растений и водорослей, и специфическим сине-зеленым пигментом фикоцианином. Клетки цианобактерий, как правило, крупнее клеток других бактерий. Способность цианобактерий выделять кислород в процессе фотосинтеза, наличие у них фотосинтетических мембран, и хлорофилл а свидетельствуют о том, что цианобактерии вполне могут быть эволюционным звеном между остальными бактериями и эукариотами.
Некоторые цианобактерии, такие как Anabaena, способны фиксировать азот. Иными словами, они способны превращать содержащийся в воздухе газообразный азот в аммиак, который затем может быть использован для синтеза аминокислот, белков и других азотсодержащих органических соединений. Этот процесс происходит в специализированных клетках, называемых гетероцистами, которые образуются при недостатке азота. Гетероцисты экспортируют содержащиеся в них азотистые вещества в соседние клетки в обмен на другие питательные вещества, например углеводы.
Хемоавтотрофные бактерии
Эти организмы чаще называют хемосинтезирующими бактериями. В качестве источника углерода они используют CO 2 (диоксид углерода), но энергию получают в результате химических реакций. Высвобождение необходимой энергии происходит при окислении таких неорганических веществ, как аммиак и нитриты. Некоторые хемоавтотрофные бактерии играют важную роль в круговороте азота, участвуя в процессе, называемом нитрификацией. Процесс нитрификации протекает в две стадии. На первом этапе аммиак окисляется до нитрита, что сопровождается выделением энергии. Этот этап осуществляется такими, например, бактериями, как Nitrosomonas. На втором этапе образовавшийся нитрит окисляется до нитрата с высвобождением дополнительной энергии. Этот этап осуществляется, например, Nitrobacter
2.3.5. Рост популяции бактерий
2.1. Рассмотрим ситуацию, когда одиночная бактериальная клетка помещена в питательную среду и находится в условиях, оптимальных для роста.
Перепишите табл. 2.4 и заполните ее, исходя из предположения, что эта клетка и все ее потомки делятся каждые 20 мин.
На основе данных заполненной вами таблицы постройте графики.
По вертикальной оси отложите число бактерий (кривая А) и десятичный логарифм этого числа (кривая Б), а по горизонтальной оси — время.
Что можно сказать о форме этих кривых?
Когда число клеток увеличивается, как видно из заполненной вами табл. 2.4, говорят о логарифмическом, экспоненциальном или геометрическом росте. В этом случае мы получим экспоненциальный ряд чисел. Это гораздо легче понять, если посмотреть на строку В в табл. 2.4, где число бактерий выражено в виде числа 2, возведенного в соответствующую степень. Показатель степени можно назвать логарифмом или экспонентной числа 2.
Логарифмы, или экспоненты, образуют линейный ряд 0, 1, 2, 3 и т. д., соответствующий числу генераций.
Вернемся к табл. 2.4; вместо чисел, расположенных в строке А, можно записать их логарифмы по основанию 2 следующим образом:
1. Во время лаг-фазы бактерии адаптируются к новой среде обитания, и поэтому рост пока еще не достигает максимальной скорости. В этот период у бактерий могут, например, синтезироваться новые ферменты, необходимые для усвоения тех питательных веществ, которые содержатся в новой среде.
2. Логарифмическая фаза — это фаза, когда бактерии растут с максимальной скоростью, число клеток увеличивается почти экспоненциально, а кривая роста представляет собой практически прямую.
3. В конце концов рост колонии начинает замедляться, и культура входит в стационарную фазу, когда скорость роста равна нулю и когда резко возрастает конкуренция за пищевые ресурсы. Образование новых клеток замедляется, а затем совсем прекращается. Увеличение числа клеток компенсируется одновременной гибелью других клеток, поэтому число жизнеспособных клеток остается постоянным (табл. 2.5). Переход к этой фазе обусловлен действием нескольких факторов: снижением концентрации питательных веществ в среде, накоплением токсичных продуктов метаболизма, а в случае аэробных бактерий и уменьшением содержания кислорода в среде.
4. Во время последней фазы — фазы замедления роста — ускоряется гибель клеток и прекращается их размножение.