ПОДЦАРСТВО НАСТОЯЩИЕ БАКТЕРИИ – BACTERIOBIONTA

Раздел «Низшие растения».

Бактерии – это в основном одноклеточные и колониальные организмы. Условно их относят к царству растения, однако связь бактерий с высшими растениями или водорослями не доказана. Бактерии распространены повсеместно. Так, в 1 см³ воды их содержится около тысячи, а в 1 см³ молока – около миллиона.

Строение бактериальной клетки. Всоставе клеточной стенки бактерий отсутствуют хитин и целлюлоза, что характерно для грибных и растительных клеток. Опорный каркас стенок образован гликопептидом (мукопротеидом) муреином. Поверх клеточной оболочки располагается капсула или слизистый слой. Эта часть клеточной, являясь дополнительной защитой бактерий, служит также для формирования колоний из отдельных клеток. Клеточная оболочка сверху покрывает плазматическую мембрану бактерий.

Рис. 1. Схема строения бактериальной клетки: 1 – клеточная стенка; 2 – плазматическая мембрана; 3 – рибосомы; 4 – запасные питательные вещества; 5 – цитоплазма; 6 – кольцевая молекула ДНК; 7 – мезосома; 8 – пили, или фимбрии; 9 – фотосинтетические мембраны; 10 — капсула; 11 – жгутик

 

Цитоплазма бактерий имеет зернистый вид. В химическом отношении он представляет собой сложную смесь белков, жиров, углеводов, многочисленных других органических соединений, минеральных веществ, воды и включений – запасных питательных веществ (волютин, содержащий фосфор, гликоген, жир). У фотосинтезирующих бактерий во впячиваниях наружной плазмагической мембраны находится пигмент бактериохлорофилл. Значительная часть органических веществ находится в коллоидном состоянии, причем они всегда тесно перемешаны. В цитоплазме присутствуют также рибосомы 70S. Кроме них можно обнаружить сложные мембранные структуры в виде самостоятельных телец – мезосом, образующихся из наружной мембраны. Мезосомы выполняют функцию аппарата Гольджи.

Ядерный аппарат бактерий, представленный одной кольцевой молекулой ДНК, называют нуклеоидом. Нить ДНК у бактерий прикрепляется какой-либо частью к цитоплазматической мембране или ее выростам с помощью специфических белков. Таким образом, цитоплазматическая мембрана у бактерий принимает участие в делении нуклеоида. Кроме кольцевой хромосомы могут находиться более короткие двухцепочные нити ДНК – так называемые плазмиды (внехромосомные факторы наследственности).

Многие бактерии подвижны. Органами движения у них служат жгутики и тонкие палочковидные белковые выросты – пили, или фимбрии (они короче и тоньше жгутиков, помогают прилипать к другим клеткам). Основание жгутиков находится под цитоплазматической мембраной, закрепляясь там с помощью пары дисков (рис. 1).

Бактерии могут образовывать колонии. У большинства бактерий, растущих на неокрашенных средах, колонии бывают сероватыми или беловатыми; иногда они полупрозрачны, а иногда совсем непрозрачны. Однако для некоторых видов характерно образование самых разнообразных пигментов (бактериохлорофилл, цитохромы, липохромы и др.).

При неблагоприятных условиях бактерии образуют споры. Процесс спорообразования состоит в том, что за счет потери воды протопласт сжимается, покрывается плотной оболочкой, прежняя оболочка клетки разрушается, и образовавшаяся эндоспора высвобождается. Плотная оболочка позволяет спорам длительное время пережидать неблагоприятные условия (сотни и даже тысячи лет) и сохранять жизнеспособность.

Морфологические типы бактерий показаны на рис. 2.

Рис. 2. Морфологические типы бактерий:

А – кокки: 1 – кокки; 2 –стрептококки (многие виды вызывают инфекционные заболевания верхних дыхательных путей); 3 –стафилококки (разные шттаммы вызывают фурункулез, воспаление легких, пищевые отравления); 4 – диплококки (две клетки в одной капсуле, например пневмококк – возбудитель пневмонии); Б – бациллы (палочковидные): 1 – одиночные палочки (возбудитель брюшного тифа); 2 –бациллы с эндоспорами (например, возбудитель столбняка); 3 – палочки, образующие цепочки клеток (возбудитель сибирской язвы); В – спириллы (спиралевидные) – спиральная палочка с одним жгутиком (по форме клеток на спириллы похожи спирохеты, но есть различия по способу передвижения, например возбудитель сифилиса); Г – вибрионы (короткие палочки, всегда изогнутые в виде запятой, например возбудитель холеры)

Питание и энергетический обмен. Бактерии, так же как и грибы, способны поглощать питательные вещества всей поверхностью через плазматическую мембрану, проницаемую для некрупных молекул белков, полисахаридом и др. Расщепление полимеров до более простых молекул происходит за счет выделяемых бактерией экзоферментов. Такое явление называется внеклеточным перевариванием.

По типу питания бактерии подразделяются на автотрофы – хемосинтетики, фотосинтетики,и гетеротрофы –сапрофиты, симбионты, паразиты.

Автотрофы синтезируют органическое вещество самостоятельно. Источником энергии для хемосинтетиков является окисление минеральных веществ, а для фотосинтетиков – свет. К хемосинтетикам относятся серобактерии, получающие энергию при окислении серы или сероводорода; железобактерии – при окислении двухвалентного железа; нитрифицирующие бактерии – при окислении аммиака или нитритов. К фотосинтетикам относятся зеленые и пурпурные серобактерии, живущие в соленых, пресных и серных водоемах. Фотосинтез у них проходит по анаэробному типу, т.е. без выделения О₂, с задействованием фотосистемы I (ФС I) в отличие от сине-зеленых водорослей и растений.

Гетеротрофные организмы получают органическое вещество за счет других организмов. Сапрофиты получают необходимый углерод путем разложения готового органического вещества мертвых организмов; паразиты используют вещество живых растений, животных и человека. Бактерии, живущие в симбиозе с растительными или животными организмами, являются симбионтами (например, клубеньковые азотфиксирующие бактерии бобовых). Энергетический обмен (катаболизм) у гетеротрофных бактерий связан с окислением органических веществ в форме аэробного дыхания и брожения. По типу дыхания бактерии бывают анаэробами (столбнячная палочка) и аэробами (туберкулезная палочка).

Размножение бактерий. Для бактерий характерно бесполое и половое размножение.

Бесполое размножение. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению. Для подавляющего большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток. Весь цикл деления прокариот можно разделить на три стадии:

1) редупликация (начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к цитоплазматической мембране, которая определяет начало и конец ее репликации);

2) синтез мембраны в области контакта ДНК с цитоплазматической мембраной, что приводит к разделению растаскиванию дочерних молекул ДНК и оформлению обособленных хромосом;

3) образование поперечной перегородки, идущее от периферии к центру; перегородка разделяет две дочерние хромосомы, каждая из которых прикреплена к цитоплазматической мембране (рис. 3).

(

Рис. 3. Равновеликое бинарное поперечное деление бактерий:

1 - клеточная стенка; 2 - плазматическая мембрана; 3 - цитоплазма; 4 – молекула ДНК

 

Такое простое деление клетки в благоприятных условиях наступает каждые 15 – 20 мин, что обеспечивает большую интенсивность размножения. Таким образом, при равновеликом бинарном делении материнская клетка делится на две дочерние клетки

Половое размножение. У некоторых бактерий известен половой процесс, при котором происходит лишь генетический обмен между клетками, но не образуются новые клетки. Он состоит в прямом контакте двух клеток, при этом формируется (клеткой-донором, выполняющей мужские функции) специальный вырост – копуляционный канал, по которому генетический материал (ДНК) передается в клетку-реципиент (имеющую женскую потенцию). Такой процесс называется конъюгацией. Очень часто наблюдается передача не всей молекулы ДНК, а только ее отдельных фрагментов.

У бактерий имеются и другие способы передачи наследственного материала – трансформация и трансдукция. Первая осуществляется путем внесения ДНК разрушенных клеток одной культуры в живую культуру другой бактерии. Трансдукция проявляется в переносе генетического материала от одной культуры к другой с помощью бактериофагов. Эти способы передачи наследственного материала расцениваются как хромосомные мутации.

Значение бактерий. Бактерии участвуют в разрушении мертвого органического материала в экосистемах и тем самым включаются в круговорот углерода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов. Роль бактерий в процессах разложения определяющая, так как ими разлагаются практически все природные соединения.

Симбиотические бактерии кишечника млекопитающих (микрофлора) участвуют в синтезе ряда витаминов группы В и витамина К, а также расщепляют клетчатку.

Многие виды бактерий вызывают болезни животных и человека (дизентерия, холера, туберкулёз, сифилис, бруцеллёз и др.), а также растений (бактериозы - увядание, пятнистость и др.).

Человек использует полезные свойства бактерий и народном хозяйстве и медицинской промышленности. Большая группа молочнокислых бактерий производит молочнокислое брожение за счет анаэробного окисления сахара молока и других углеводов в молочную кислоту. Так, молочнокислым стрептококк (Streptococcus lactis) широко используется для приготовления простокваши; сырная палочка (Lactobacterium bulgaricum) –для приготовления кефира, сметаны, сыроd. Бактерии используются для создания новых способов получения важнейших для промышленности веществ, в том числе спиртов, органических кислот, сахаров, полимеров, аминокислот и ряда ферментов. Бактерии служат источником для получения антибиотиков (стрептомицин, грамицидин).