Классификация органического мира (стр. 7 )

Экология

Количество клеток прокариот оценивается в 4-6 1030, их суммарная биомасса составляет 350—550 млрд. т., в ней запасено 60-100 % от углерода всех растений, а запас азота и фосфора в виду их большего относительного содержания в бактериях существенно превосходит запас этих элементов в фитомассе Земли. В то же время бактерии характеризуются коротким жизненным циклом и высокой скоростью обновления биомассы. Уже на основании этого можно оценить их вклад в функционирование основных биогеохимических циклов.

Бактерии способны расти как в присутствии атмосферного кислорода (аэробы), так и при отсутствии (анаэробы). Участвуют в формировании структуры и плодородия почв, в образовании полезных ископаемых и разрушении растительной и животной массы; поддерживают запасы углекислого газа и кислорода в атмосфере.

Бактерий много в почве, на дне озер и океанов – повсюду, где накапливается органическое вещество. Они живут в холоде, когда столбик термометра чуть превышает нулевую отметку, и в горячих кислотных источниках с температурой выше 90° С. Некоторые бактерии переносят очень высокую соленость среды; в частности, это единственные организмы, обнаруженные в Мертвом море. В атмосфере они присутствуют в каплях воды, и их обилие там обычно коррелирует с запыленностью воздуха. Так, в городах дождевая вода содержит гораздо больше бактерий, чем в сельской местности. В холодном воздухе высокогорий и полярных областей их мало, тем не менее они встречаются даже в нижнем слое стратосферы на высоте 8 км.

Многие виды бактерий – свободноживущие организмы, способные синтезировать необходимые для жизни соединения из веществ, содержащихся в окружающей среде. Однако некоторые бактерии являются симбионтами или паразитами других организмов, чаще всего – эукариотических. Среди архей паразиты не обнаружены.

Густо заселен бактериями (обычно безвредными) пищеварительный тракт животных. Эксперименты показали, что для жизнедеятельности большинства видов они не обязательны, хотя и могут синтезировать некоторые витамины. Однако у жвачных (коров, антилоп, овец) и многих термитов они участвуют в переваривании растительной пищи. Кроме того, иммунная система животного, выращенного в стерильных условиях, не развивается нормально из-за отсутствия стимуляции бактериями. Нормальная бактериальная «флора» кишечника важна также для подавления попадающих туда вредных микроорганизмов.

Бактерии могут вступать в симбиоз как с одноклеточными, так и с многоклеточными эукариотами. Примеры – жгутиконосец цианофора и корненожка. Клетка цианофоры содержит две цианобактерии. Когда жгутиковая цианофора делится, то каждой дочерней клетке достается по одной цианобактерии, которые потом также делятся, чтобы восстановить количество цианобактерий на клетку цианофоры. Когда жгутиконосец содержит цианобактерии, он обладает фототаксисом, т. е. движением по направлению к свету или от него.

Корненожка также содержит внутри клетки цианобактерии, но другого вида. Cвободноживущие бакетрии и бактерии-симбионты отличаются по своим свойствам. Некоторые виды симбионтов способны покидать своего хозяина и переходить к самостоятельному образу жизни, тогда как другие виды цианобактерии не могут жить отдельно от хозяина. Такие утратившие самостоятельность цианобактерии называются цианеллами. Считается, что именно через симбиоз возникли хлоропласты высших растений. Предки хлоропластов – это свободноживущие цианобактерии.

Пример симбиоза животного с фотосинтезирующими одноклеточными предстваляет моллюск тридакна. Мантия моллюска набита водорослями зооксантеллами. Причем их так много, что моллюск не может затащить мантию внутрь. Водоросли занимаются фотосинтезом, а моллюск обеспеспечивает их безопасность.

Многие азотофиксирующие бактерии могут жить сами по себе. Некоторые виды также могут обитать в клубеньках бобовых растений. Как было сказано выше, эукариоты не способны к азотофиксации. Поэтому некоторые бактерии в симбиозе с высшими растениями обеспечивают их азотом. Симбиотические азотфиксирующие бактерии живут в клубеньках, которые образуются на корне растения в ответ на проникновение в него бактерий из почвы. На рисунке ниже показаны клубеньки на корнях бобового растения. Клетки такого клубенька набиты азотофиксирующими бактериями. Чтобы изолировать бактерии от кислорода растения синтезируют белок леггемоглобин, похожий по структуре на гемоглобин, который связывает кислород и защищает симбионтов от его действия.

Процесс питания

Жизнь бактерий, их питание, размножение проходит необычайно активно. Одна бактериальная клетка за сутки потребляет пищи в 30-40 раз больше своей массы - это все равно, если бы школьник массой 35- 45 килограмм съедал в день больше тонны пищи! Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии – секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится «на голодном пайке», поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.

Питаться они могут практически всем, исключая созданные человеком пластмассы, стиральные порошка и яды вроде гербицидов и пестицидов, поэтому они накапливаются в окружающей нас среде и уже начинают угрожать существованию самого человечества. Все прочее может усваиваться всевозможными бактериями.

В качестве запасных питательных веществ у бактерии никогда не встречаются белки. В организме бактерий могут накапливаться жиры, полисахариды (гликоген, крахмал), один вид жирных кислот, полифосфаты, сера. Жиры и полисахариды могут использоваться бактериями как дополнительный источник энергии.

Метаболизм

Бактерии обладают разными типами метаболизма. Нужно отметить, что есть группа бактерий, хорошо видимых и без микроскопа - это окрашенные бактерии. Одни из них вызывают посинение молока, другие окрашивают раны в зеленый цвет; колонии пурпурных бактерий на хлебе или картофеле похожи на капли крови. В средние века католическое духовенство использовало массовое появление пурпурных бактерий в своих интересах, объявляя каким-то чудом и зловещим небесным знамением их появление на хлебе, а это, на самом деле, были бактерии, вырабатывающие пигменты. Имеются еще и светящиеся, или фотогенные бактерии. Свечение моря чаще всего вызывается светящимися бактериями, которые живут на теле медуз, моллюсков и других мелких морских животных. Некоторые бактерии выделяют ароматические вещества – эфиры, которые обуславливают запах вин, молочных продуктов, сена, придает маслу и сливкам приятный характерный запах.

Вообще, все живые организмы можно классифицировать в соответствии с тем, какой источник энергии они используют, какие продукты обмена производят, т. е. по основным характеристикам обмена с окружающей средой. Углерод – это главный элемент, который необходим всем живым организмам, и бактериям в частности. К микроорганизмам такое деление не подходит – слишком разнообразны их типы питания. Их характеризуют по природе источников трех необходимых компонент жизни: солнечной энергии, углерода и водорода.

По источнику энергии различают две категории организмов: фототрофы (использующие солнечный свет) и хемотрофы (использующие энергию химических связей в питательных веществах). В 1887 году русским микробиологом был открыт процесс “бессолнечного” синтеза органических веществ в клетке бактерий, который получил название хемосинтез. В клетках бактерий происходят окислительно-восстановительные реакции неорганических веществ, при этом выделяется энергия. Эту энергию бактерии используют для синтеза нужных себе органических веществ. Поэтому их называют хемосинтезирующими бактериями или хемотрофами. Чего стоят одни только железобактерии. Железобактерии живут в водоемах, во влажных местах. Внешне довольно разнообразны, то похожи на тончайшие нити, то на красивое металлическое деревце. Это одноклеточные организмы. Каждая такая прокариотическая клетка в течение часа способна выделять железистый стебелек, в 3 раза превышающий длину самой клетки. На кончике такого стебелька и живет сама бактерия. Бактерия размножается делением надвое, и стебелек тоже делится на две веточки. В их клетках с участием ферментов происходит следующая окислительно-восстановительная реакция: FeCO3 + O2 + H2O →Fe(OH)3 + CO2 + Q. 

В отношении углеродного питания бактерии разделяют на две физиологические группы: автотрофы (самостоятельно производящие органическое вещество) и гетеротрофы (получающие органическое вещество из окружающей среды). Автотрофы («сами себя питающие») не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO2). Включая CO2 и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH3), нитраты (NO–3) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты. Гетеротрофы («питающиеся другим») используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO2) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство прокариот, сходны с человеком. Наибольшей степенью гетеротрофности отличаются внутриклеточные паразиты, если при этом они способны существовать на богатых искусственных средах, они называются факультативными. Большая часть бактерий принадлежит к сапрофитам, не зависящие от других организмов, но использующие синтезированные ими органические вещества. Существует также ряд бактерий, требующих наличия в среде небольшого круга определённых органических веществ (аминокислот, витаминов), которых они не могут синтезировать самостоятельно и, наконец, гетеротрофы, которые нуждаются лишь в одном довольно низкомолекулярном источнике углерода (сахар, спирт, кислота). Некоторые из них отличаются высокой специализацией (Bacillus fastidiosus может использовать только мочевую кислоту), другие в качестве единственного источника углерода и энергии могут использовать сотни различных соединений (многие Pseudomonas).