Надцарство Протисты Царство Бактерии (Дробянки) Автор: Куриленко А.Л., педагог ГУО «Средняя школа 13 г. Жлобина», Гомельская обл. Республика Беларусь

БАКТЕРИИ или ДРОБЯНКИ – представители царства Monera – это обширная группа одноклеточных микроорганизмов, которые характеризуются отсутствием окруженного оболочкой клеточного ядра.

Царства живой природы Бактерии (Monera) ПротистыРастенияГрибыЖивотные

Слоистые каменные структуры, датируемые началом архейской эры, возникшие 3,5 млрд. лет назад – результат жизнедеятельности бактерий, обычно фотосинтезирующих (т.н. сине-зеленых водорослей). Первые ядерные клетки произошли от бактерий примерно 1,4 млрд. лет назад.

Бактерии гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных. Толщина их обычно составляет 0,5–2,0 мкм, а длина – 1,0–8,0 мкм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов.

На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.

По форме и строению выделяют следующие группы бактерий: кокки (шарики), бациллы (палочки или овалы), спириллы (спирали), спирохеты (тонкие волосовидные).

Формы шаровидных бактерий: 1 – стафилококки (кокки, собранные в гроздья) 2 – диплококки (двойные) 3 – стрептококки (нитевидные колонии кокков) 4 – сарцины (колонии кокков, покрытые оболочкой их слизи) 5 – тетракокки (кокки, собранные по 4)

Встречаются и другие формы бактерий звёздчатая, треугольная, квадратная и др.

Различная форма бактерий помогает этим организмам приспособиться к условиям окружающей среды.

Бациллы, имеющие жгутик, который служит органом передвижения, называются вибрионами.

Жгутик служит органом передвижения, захвата пищи и защиты от нападения других микроорганизмов.

Существуют и многожгутиковые формы бацилл.

Кроме жгутиков, многие бактерии имеют реснички, которые также служат для передвижения, захвата пищи и защиты.

У бактерий нет ядра, вместо него имеется нуклеоид, который состоит из одной длинной кольцевой молекулы ДНК, окружённой хроматином и прикрепленной в одной точке к клеточной мембране.

В жидкой густой цитоплазме расположены рибосомы, простейшие вакуоли и клеточные включения.

Снаружи клетка покрыта мембраной, которая придаёт клетке форму и выполняет защитную функцию, и иногда клеточной стенкой- капсулой, слизью или муреиновой оболочкой.

Мембрана образует многочисленные камеры – мезосомы, которые выполняют функции переваривания пищи, синтеза питательных веществ, фотосинтеза (содержат хлорофилл), энергетическую (как и митохондрии запасают энергию) и транспортную.

У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых лизосомами, ЭДС, комплексом Гольджи, митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез, лизосомы переваривают пищу и т.д. У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь – клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм – заодно и хлоропласта.

Сравнение клеток эукариот (ядерных) и прокариот (доядерны)

Клеточное дыхание – процесс высвобождения химической энергии, запасенной в «пищевых» молекулах, для ее дальнейшего использования в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным. В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н. электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к кислороду вместе с ионами водорода – образуется вода.

Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой группы он даже ядовит. Такие бактерии заменяют процесс дыхания реакциями гниения или брожения.

Нитрификация это микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой и азотной кислоты) с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация). Полученные кислоты вступают в реакции с активными металлами (Na, K, Ca) и образуют легкие нитриты и нитраты. Нитрификация протекает в аэробных условиях в почве и природных водах по схеме: 2NH 3 + 3O 2 3H 2 O + N 2 O 3 N 2 O 3 + H 2 O HNO 2 2HNO 2 + O 2 2 HNO 3

В настоящее время примерно 90% ( 90 млн. т) годового количества «фиксированного» азота дают бактерии. Азот воздуха, составляющий около 80% атмосферы, связывается в основном бактериями рода Rhizobium (клубеньковые бактерии), которые вступают в симбиоз примерно с видов бобовых растений: горохом, фасолью, соей, клевером, люцерной и др.

Эти бактерии живут в т.н. клубеньках – вздутиях, образующихся на корнях в их присутствии. Из растения бактерии получают органические вещества, а взамен снабжают хозяина связанным азотом.

В симбиоз с другими азотфиксирующими бактериями вступают и небобовые растения, например ольха.

Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы («сами себя питающие») не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами.

В качестве главного источника углерода они используют диоксид (CO 2 ). Включая CO 2 и другие неорганические вещества: аммиак (NH 3 ), нитраты (NO 3 ) и 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 CO 2 ) органические вещества, синтезированные другими организмами, питаясь либо самими организмами, либо продуктами их жизнедеятельности (в основном, сахарами). Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности гетеротрофных бактериальных клеток.

Если для синтеза клеточных компонентов используется световая энергия, то процесс называется фотосинтезом, а способные к нему виды – фототрофами. Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от того органические или неорганические соединения служат для них главным источником углерода.

Если основной источник энергии в клетке – окисление химических веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода – органические или неорганические.

Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода.

Железобактерии способны окислять железо (II) до (III) и использовать образующуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа и карбонатов. Они чрезвычайно широко распространены как в пресных, так и в морских водоемах, играют большую роль в круговороте железа в природе. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа по реакции: 2Fe(HCO 3 ) 2 + 6H 2 O + O 2 4Fe(OH) 3 + 4H 2 CO 3 + 4CO 2

Водородные бактерии получают энергию в результате окисления молекулярного водорода. Распространены в почве, окисляют водород, постоянно образующийся при анаэробном разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы. Окисление протекает по следующей схеме: 2H2 + O2 2H2O + энергия

Серобактерии (фототрофные пурпурные и зеленые бактерии, цианобактерии) обитают в пресных и солёных водах. Энергию для синтеза органических веществ они получают, окисляя сероводород: 2 H 2 S + O 2 2H 2 O + 2S Выделяющаяся свободная сера накапливается в их клетках в виде множества крупинок. При недостатке H 2 S серобактерии производят поэтапное окисление свободной серы до серной кислоты: S + O 2 SO 2 2SO 2 + O 2 + 2H 2 O 2 H 2 SO 4

Бактерии размножаются бесполым путем: ДНК в их клетке реплицируется (удваивается), клетка делится надвое, и каждая дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК.

Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма очень высока. 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. 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.

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. При этом бактерии и протисты составляют почти 90% биомассы океана.

В атмосфере они присутствуют в каплях воды, и их обилие там обычно зависит от запыленности воздуха. Так, в городах дождевая вода содержит гораздо больше бактерий, чем в сельской местности. В холодном воздухе высокогорий и полярных областей их мало.

Густо заселен бактериями пищеварительный тракт животных. Этот симбиоз организмов взаимовыгоден. У жвачных (коров, антилоп, овец и др.) и многих растительноядных животных бактерии участвуют в переваривании растительной пищи.

Кроме того, иммунная система животного, выращенного в стерильных условиях, не развивается нормально из-за отсутствия стимуляции бактериями. Нормальная «бактериофлора» кишечника важна и для подавления попадающих туда вредных микроорганизмов (особенно у животных, питающихся падалью)

В настоящее время бактерии применяются пищевой отраслью в основном для производства сыров, других кисломолочных продуктов и уксуса. Главные химические реакции – образование кислот. Так, при получении уксуса бактерии окисляют этиловый спирт, содержащийся в сидре или других жидкостях, до уксусной кислоты. Аналогичные процессы происходят при квашении капусты: анаэробные бактерии сбраживают содержащиеся в листьях этого растения сахара до молочной кислоты, а также уксусной кислоты и различных спиртов.

Бактерии применяются для выщелачивания бедных руд, т.е. переведения из них в раствор солей ценных металлов (меди Cu и урана U). Пример – переработка халькопирита CuFeS 2. Руду периодически поливают водой, в которой присутствуют хемолитотрофные бактерии. В процессе своей жизнедеятельности они окисляют серу, образуя растворимые сульфаты меди и железа: CuFeS 2 + 4O 2 CuSO 4 + FeSO 4. Такие технологии значительно упрощают получение из руд ценных металлов.

Бактерии служат также для превращения отходов, например сточных вод, в менее опасные или даже полезные продукты.

Сточные воды – одна из острых проблем современного человечества. Их полная минерализация требует огромных количеств кислорода, который используется для полного разложения органики, и одним из конечных продуктов процесса в наиболее благоприятных случаях становится питьевая вода. Остающийся по ходу дела нерастворимый осадок можно подвергнуть анаэробному брожению.

Бактерии приносят не только пользу; борьба с их массовым размножением, например в пищевых продуктах или в водных системах целлюлозно-бумажных предприятий, превратилась в целое направление деятельности.