В.И. АБРАМОВ,
Заслуженный учитель России,
Северодвинская городская гимназия

Бактерии, грибы, споровые растения

(Спецкурс по биологии)

Бактерии

Впервые бактерии были описаны в 1683 г. Антони ван Левенгуком.
В настоящее время известно около 3000 видов бактерий. На земном шаре нет мест, где бы они ни обитали. Так в 1 г пахотной земли содержится от 1 до 20 млрд бактерий, даже в 1 г льда Антарктиды можно найти до 100 бактерий. К концу первых суток в организме новорожденного ребенка живет 12 видов бактерий.

Бактерии – это мельчайшие прокариотические организмы, имеющие клеточное строение. Величина большинства бактерий колеблется от 0,2 до 1,3 мкм. Форма бактерий достаточно разнообразна.

Формы бактерий

Бактериальная клетка покрыта оболочкой, которая состоит из плазматической мембраны, клеточной стенки и капсулы. Полупроницаемая плазматическая мембрана обеспечивает избирательное поступление веществ в клетку и выделение в окружающую среду продуктов обмена веществ. В мембранах располагаются окислительно-восстановительные ферменты, a у фотосинтезирующих бактерий – и соответствующие пигменты, благодаря чему осуществляется поглощение энергии света при фотосинтезе. Бактериальные мембраны полифункциональны и способны выполнять те функции, которые в клетках эукариот осуществляют митохондрии, хлоропласты, эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи. При клеточном делении иногда образуются впячивания плазматической мембраны внутрь цитоплазмы – мезосомы.

Прочная клеточная стенка придает бактериальной клетке определенную форму, защищает ее содержимое от неблагоприятных воздействий окружающей среды и выполняет ряд других функций. Многие виды бактерий образуют вокруг клетки слизистую капсулу.

В центральной части бактериальной клетки находится кольцевая цепочка ДНК, которая контролирует нормальный ход всех внутриклеточных процессов и является носителем генетической информации. Ядрышки у бактерий не обнаружены. В цитоплазме имеется огромное количество рибосом, на которых происходит синтез белков. У некоторых водных и почвенных бактерий имеются газовые вакуоли. Регулируя количество газа в них, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на ее поверхность, а почвенные – передвигаться в капиллярах почвы. В клетках бактерий откладываются запасные питательные вещества полиоксибутират, гранулеза, полифосфаты.

Большинство бактерий бесцветны, и только зеленые и пурпурные бактерии содержат пигменты. Некоторые бактерии имеют органоиды движения – жгутики, состоящие из особого белка – флагеллина. Число жгутиков может достигать 50. Они могут быть расположены на одном конце клетки, на двух или по всей поверхности клетки. Многие бактерии способны к скользящему движению благодаря наличию на поверхности клетки слизистой капсулы.

Бактерии всасывают питательные вещества всей поверхностью клетки, которая у них очень велика по отношению к объему. Поглощение питательных веществ происходит за счет активного транспорта и диффузии.

Большинство бактерий питается готовыми органическими веществами – бактерии-сапрофиты или органическими веществами живых организмов – бактерии-паразиты. Некоторые виды бактерий синтезируют органические вещества из неорганических – автотрофные бактерии, используя для этого энергию света (фотосинтезирующие пурпурные и зеленые бактерии) или химическую энергию (хемосинтезирующие бактерии). Хемосинтез впервые был открыт русским микробиологом Виноградским в конце XIX в. Хемосинтезирующие бактерии с помощью ферментов окисляют неорганические вещества (аммиак, сероводород, серу, закись железа и т.д.), – в ходе этих реакций выделяется энергия. Есть бактерии, которые переводят в связанную форму газообразный азот воздуха.

Использование полученных или синтезированных питательных веществ у бактерий осуществляется в разных формах. У ряда бактерий оно, как и у человека, животных и растений, состоит в окислении различных органических веществ кислородом воздуха, а конечным продуктом этого процесса (дыхания) является углекислый газ. У некоторых форм реакция окисления не доходит до конца, и углекислый газ не выделяется. Так, например, уксуснокислые бактерии этиловый спирт окисляют лишь до уксусной кислоты. Другие бактерии получают энергию за счет брожения – расщепления сложных органических соединений до более простых без участия свободного кислорода. Бактерии, нуждающиеся в свободном кислороде, называются аэробными, а те, которые могут без него обойтись, – анаэробными. Факультативные анаэробные бактерии могут жить как в кислородсодержащей среде, так и в бескислородной (например, молочнокислые бактерии), а для облигатных анаэробных бактерий (маслянокислые бактерии, бактерии столбняка) свободный кислород ядовит.

В благоприятных условиях бактерии размножаются очень быстро – путем прямого деления (амитоза) на две клетки примерно каждые 40–60 мин. Если бы такому делению ничто не мешало, то одна бактерия за 5 суток размножилась бы так, что ее потомство заняло бы все моря и океаны нашей планеты. Этого не происходит из-за недостатка пищи, накопления продуктов обмена веществ, гибели от неблагоприятных условий, поедания бактерий другими организмами. В последнее время у бактерий обнаружены вещества, которые регулируют их численность и «не разрешают» размножаться свыше определенного предела.

Небольшая группа бактерий – бациллы – способна образовывать споры. При этом бактериальная клетка претерпевает ряд существенных биохимических и морфологических изменений. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность, клетка сжимается и покрывается очень плотной оболочкой. Споры обеспечивают бактериям возможность переносить неблагоприятные условия. Они выдерживают длительное высыхание, нагревание свыше 100 °С и охлаждение почти до абсолютного нуля.

Значение бактерий очень велико. Благодаря их жизнедеятельности происходит разложение и минерализация органических веществ отмерших растений и животных. Образовавшиеся при этом простые неорганические соединения (аммиак, сероводород, углекислый газ) вовлекаются в общий круговорот веществ, без которого невозможна жизнь на Земле. Бактерии принимают участие в почвообразовательных процессах. Особую роль в природе играют бактерии, способные связывать свободный молекулярный азот, совершенно недоступный для высших растений. Населяя почву, такие свободно живущие бактерии обогащают ее азотом. Другая группа азотфиксаторов – клубеньковые бактерии поселяются в корнях бобовых растений. Проникая через их корневой волосок в корень, клубеньковые бактерии вызывают сильное разрастание ткани корня в виде клубеньков. Получая от растения углеводное питание, бактерии начинают фиксировать азот с образованием аммиака, а из него – нитритов и нитратов. Образовавшихся азотистых веществ достаточно и для бактерий, и для растения. Кроме того, часть азотистых соединений выделяется в почву, повышая ее плодородие. Здесь мы встречаемся с явлением симбиоза – взаимовыгодным сожительством двух организмов: бактерии получают от своего хозяина необходимые для питания углеводы, образующиеся при фотосинтезе, а сами снабжают растение аминокислотами и другими продуктами связывания молекулярного азота.

Бактерии играют положительную роль в хозяйственной деятельности человека. Молочнокислые бактерии, питаясь молочным сахаром (лактозой), выделяют молочную кислоту, благодаря которой происходит сквашивание. Эта их особенность используется для получения и приготовления разнообразных пищевых продуктов из молока (сметаны, простокваши, кефира, масла, йогурта, сыра), а также при квашении и мочении овощей, при силосовании кормов. Уксуснокислые бактерии используются человеком для получения уксуса. Многие отрасли промышленности не могут обходиться без таких продуктов жизнедеятельности бактерий, как этиловый спирт, уксусная кислота, бутиловый спирт, ацетон. Без бактерий не обходятся сушка листьев табака, дубление кожи, производство какао, кофе. В процессе жизнедеятельности бактерий образуются биологически активные вещества – антибиотики, витамины, аминокислоты. Спороносные анаэробные бактерии, вызывающие разрушение пектиновых веществ в процессе брожения при мочке льна, конопли, разрушают межклеточное вещество и способствуют освобождению прядильных волокон. Человек использует бактерии и для обработки сточных вoд: сообщество самых разнообразных бактерий разрушает и окисляет все вещества, поступающие с отходами и образовавшаяся после высушивания масса используется как удобрение. С помощью генной инженерии в геном бактерий внедряют гены, кодирующие нужные человеку вещества, например инсулин или гормон роста.

Велика и отрицательная роль бактерий. Многие бактерии вызывают порчу самых разных материалов и пищевых продуктов. Наряду с выделением углекислого газа, аммиака и энергии, избыток которой вызывает нагревание субстрата (например, навоза, влажного сена, зерна) вплоть до его самовоспламенения, бактерии образуют целый ряд ядовитых веществ. Велика роль паразитических и патогенных бактерий. Они способны проникать в ткани растений, животных и человека и выделять при этом токсичные вещества, отравляющие организм хозяина. Продукты жизнедеятельности многих патогенных микроорганизмов (дифтерийная и столбнячная палочки, стафилококк, холерный вибрион и др.) особо ядовиты. Они вызывают такие опасные для человека заболевания, как дифтерия, туберкулез, коклюш, гонорея, сифилис, тиф, столбняк, холера. Возбудители этих заболеваний унесли человеческих жизней во много раз больше, чем все войны вместе взятые. Русские летописи донесли до нас боль и горечь людскую. «Только выйдоша из города пять человек, город затвориша» – так повествует летопись об эпидемии чумы в Смоленске в 1387 г. Поражая растения, бактерии вызывают у них так называемые бактериозы: пятнистость, увядание, ожоги, мокрые гнили, опухоли.

Архебактерии

Архебактерии выделены в отдельное царство из-за особенностей строения своих оболочек и субклеточных структур. Мембраны у них однослойные, липидные, образованы из эфиров глицерина и изопреноидных углеводородов, тех самых, из которых производят один из видов искусственного каучука. Архебактерии широко распространены в почвах и водоемах. Они живут в кислых, плохо аэрируемых почвах тундр и северных болот, в иле водоемов, в жeлудкax жвачных. Среди архебактерий важное место занимают метанобразующие бактерии – метаногены. Усваивая образующийся при брожении водород и углекислый газ, они синтезируют метан (его раньше называли болотным газом). Другую группу архебактерий составляют термоацидофилы. Многие из них живут в горячих (до 100 °С) вулканических источниках. Одни архебактерии окисляют серу и превращают ее в довольно концентрированную серную кислоту, другие, наоборот, восстанавливают серу до сероводорода. Есть среди архебактерий и фотосинтезирующие, так называемые галобактерии. Они обитают в соленых озерах, где на дно выпадает поваренная соль. Такие водоемы выглядят ярко-красными, цвета пурпура, ведь фотосинтезирующий пигмент у этих бактерий не хлорофилл, а родопсин – вещество близкое к тому, которое служит светоприемником в наших глазах. Древнейшие следы архебактерий – следы деятельности метанобразующих организмов – обнаружены в слоях Земли, имеющих возраст 2,8 млрд лет. Метан наряду с двуокисью углерода влияет на возникновение парникового эффекта, ведущего к глобальному потеплению климата нашей планеты.

В последнее время метанобразующие архебактерии используют для получения биогаза: они превращают отходы животноводства в безопасное удобрение и бытовой газ метан.

Синезеленые бактерии (цианобактерии)

Современные цианобактерии и созданные ими строматолиты

В таких водоемах обитали предки цианобактерий

Цианобактерии представляют собой древнейшую группу прокариотических фотосинтезирующих организмов, возникших свыше 3 млрд лет назад. Они представлены одноклеточными, многоклеточными (нитчатыми) и колониальными формами. Цианобактерии распространены в пресных и соленых водоемах, на поверхности почвы и скал, в горячих источниках, входят в состав лишайников. Клетки цианобактерий характеризуются толстыми двухслойными оболочками. Клеточная оболочка содержит некоторое количество целлюлозы, но главными ее компонентами являются полисахариды и пектиновые вещества. В клетках цианобактерий часто встречаются особые, наполненные газом, вакуоли, которые, как предполагают, служат для облегчения парения в толще воды. Цианобактерии способны фиксировать азот воздуха и превращать его в органические формы азота. В отличие от других фотосинтезирующих бактерий синезеленые водоросли при фотосинтезе выделяют молекулярный кислород, а в качестве единственного источника углерода – углекислый газ. Предполагается, что именно благодаря цианобактериям в архейскую эру возникла современная атмосфера. В периферической части клеток этих организмов диффузно распределены синие и бурые пигменты, определяющие вместе с хлорофиллом их сине-зеленый цвет. Некоторые синезеленые бактерии имеют дополнительные пигменты, изменяющие их характерный цвет до черного, коричневого и красного. Цианобактерии, будучи автотрофными организмами, способны синтезировать все вещества клетки за счет энергии света. Однако они способны и к смешанному типу питания. Размножаются цианобактерии, как и другие прокариоты, только бесполым путем.

Клетки ископаемых прокариотных организмов, близких к цианобактериям

Вместе с другими микроорганизмами цианобактерии обогащают почву органикой и органическим азотом, являются кормом для зоопланктона. После массового размножения цианей в водоемах (так называемое цветение воды) происходит процесс их отмирания и разложения, вода приобретает неприятный запах и становится непригодной для питья; наблюдается массовая гибель рыбы. При цветении воды на поверхности часто образуется маслянистая грязно-зеленая пленка, состоящая из отмерших цианобактерий. Среди относительно немногих случаев полезного использования человеком цианобактерий необходимо упомянуть искусственное разведение видов рода анабена на рисовых полях в тропиках с целью обогащения почвы соединениями азота. Отдельные виды цианей, например спирулина, могут употребляться в пищу человеком.

Царство грибов

Грибы – обособленная группа гетеротрофных организмов, сочетающих признаки растений и животных. С растениями их сближает наличие хорошо выраженной клеточной стенки, неподвижность в вегетативном состоянии, размножение спорами, неограниченный рост, поглощение питательных веществ путем осмоса. С животными грибы схожи гетеротрофностью, наличием в клеточной стенке хитина, отсутствием в клетках пластид и фотосинтезирующих пигментов, образованием и выделением мочевины. Растения, грибы и животные возникли от различных форм предков эукариот независимо друг от друга. Грибы возникли, по-видимому, в силурийском периоде палеозойской эры. Основная часть грибов, как полагают, произошла от бесцветных жгутиковых. В настоящее время описано около 100 000 видов различных грибов, объединенных в несколько отделов, но предполагают, что существует до 1,5 млн их видов. Наибольшего разнообразия грибы достигают в тропических лесах. Форма и окраска плодовых тел грибов чрезвычайно варьируют. Вот как об этом писал Джеральд Даррелл: «Грибы были всех цветов – от винно-красного до черного, от желтого до серого – фантастически разнообразны по форме. Некоторые были красные и имели форму венецианских кубков на тонких ножках; другие, все в филигранных отверстиях, напоминали маленькие желто-белые изогнутые столики из слоновой кости; третьи были похожи на большие гладкие шары из смолы или лавы – черные и твердые, они покрывали всю поверхность подгнивших бревен, а иные – скрученные и ветвистые, как рога миниатюрного оленя, казалось, изваяны из полированного шоколада. Одни грибы выстроились в ряды, словно красные, желтые или коричневые пуговицы на манишках упавших деревьев, другие, похожие на губки, свисали с ветвей и источали едкую желтую жидкость. Казалось, вот-вот откуда-нибудь появится сгорбленная и морщинистая старая карга с лукошком и станет собирать этот богатый урожай».

Жизненные формы грибов

Грибы не могут быть очень больших размеров, поскольку пассивное питание не позволяет доставлять питательные вещества равномерно ко всем клеткам. Тело гриба – мицелий – должно быть погружено в питательный субстрат, а спороносные структуры – вынесены на его поверхность. Грибы не могут поглощать высокомолекулярные вещества – белки, полисахариды, целлюлозу. Они вырабатывают ферменты деполимеразы (гидролизующие ферменты), которые выделяются наружу и расщепляют полимеры до мономеров, в частности белки до аминокислот. Для всасывания питательных веществ грибы обладают огромным тургорным давлением.

Хотя грибы малозаметны, роль их в природе огромна. Вместе с гетеротрофными бактериями они выполняют функцию редуцентов, разлагающих биополимеры растительного и животного опада. В процессе разложения полимерной органики происходит ее минерализация: в атмосферу выделяется углекислый газ, азотистые и другие соединения возвращаются в почву, где они снова могут быть использованы животными и растениями. Таким образом, осуществляется круговорот веществ в природе. Грибы помогают растениям жить на очень бедных питательными веществами почвах. Характер взаимоотношения грибов и других организмов чрезвычайно разнообразен – например, около 80% всех сосудистых растений связаны с грибами своей корневой системой. Эта связь, называемая микоризой, играет ключевую роль в питании и распространении растений. Микориза возникла очень давно. На отпечатках древних вымерших растений псилофитов обнаружены и отпечатки тел грибов. Предполагают, что высшие растения не могли выйти на сушу без участия грибов. Сожительство грибов с растениями является примером симбиоза, так как грибы получают от высших растений органические вещества, которые они сами не могут синтезировать, а взамен поставляют растениям воду и минеральные соли, выполняя функции корневых волосков.

Как редуценты, грибы часто наносят прямой ущерб человеку. Обладая мощным арсеналом ферментов, разрушающих органические вещества, грибы наносят ощутимый вред хозяйственной деятельности человека, приводя к крупным разрушениям. Вред, наносимый грибами, возрастает в связи с их способностью обитать в очень широком диапазоне температур – от – 6 °С до + 60 °С.
Но особенно они «свирепствуют» в тропиках, где тепло и высокая влажность способствуют их бурному росту. Грибы портят ткань, краску, картон, кожу, воск, реактивное авиационное топливо, изоляцию кабелей и проводов, фотопленку и даже линзы в оптических приборах – фактически все известные вещества. Установлено, что во время Второй мировой войны менее 50% военных грузов, направленных в тропические районы, прибывало туда пригодными к употреблению. Но и в умеренных областях грибы являются бичом пищевых продуктов, так как растут на хлебе, овощах, фруктах, мясе, вызывая их порчу. Некоторые грибы также вырабатывают сильные яды.

Грибы-паразиты в помещении

Грибы являются наиболее распространенными фитопатогенами. Около 5 тыс. их видов поражают экономически важные сельскохозяйственные культуры. Для человека и домашних животных особенно опасен стригущий лишай, поражающий корни волос и ногти. Многие микроскопические грибки поселяются на коже, вызывая заболевания, которые называют микозами.

Стригущий лишай

Однако некоторые свойства грибов полезны для человека. Дрожжи способны сбраживать сахар до спирта и углекислого газа, что используется в хлебопечении. Грибы применяют в технологиях получения ряда ценных пищевых продуктов (сыров, кефира). Они также являются ценным источником антибиотиков. Недавно из грибов был получен циклоспарин – вещество, которое подавляет иммунные реакции организма, что расширило возможности пересадки органов. Грибы – хороший биотехнологический объект.

Продолжение следует