Бактерии - прокариотические организмы

19

РЕФЕРАТ

БАКТЕРИИ - ПРОКАРИОТИЧЕСКИЕ ОРГАНИЗМЫ

Выполнила: ученица 11 «В» класса

Семенова Н.Р.

Екатеринбург

2010

Содержание

Введение

1. Из истории прокариотов

2. Строение прокариотической клетки

3. Размножение и образ жизни

4. Основные группы прокариотов:

4.1 Бактерии - фототрофы

4.2 Бактерии - хемоавтотрофы

4.3 Бактерии - органотрофы

4.4 Бактерии - паразиты

5. Сине - зеленые водоросли

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Введение

К доядерным организмам-прокариотам относятся простейшие одноклеточные организмы. В обиходе их называют бактериями или микробами. Так же к прокариотам относятся синезеленые водоросли. В этой работе я постараюсь описать строение прокариот, их размножение, образ жизни, основные группы прокариот.

Эти микроорганизмы играют большую роль в нашей жизни, поэтому мне интересна эта тема.

Прокариоты могут быть использованы в медицине. До второй половины прошлого века медицина практически не могла лечить болезни, вызываемые бактериями. Сейчас медики с большинством из них успешно справляются. Поэтому, я считаю, что эта тема актуальна и на сегодняшний день.

I. Из истории прокариотов

Аристотель пытался все объекты природы систематизировать. У него была "лестница существ". Внизу - примитивно организованные камни, потом растения, животные и человек. Стремление к линейной классификации довольно долго сохранялось, но потом его пришлось отвергнуть, так как объекты живой природы не выстраиваются в единую лестницу. Деление на растения и животные известно давно. Эти группы называют царствами: царство растений и царство животных. Потом были описаны простые одноклеточные растения и животные, о которых не всегда понятно, растения они или животные. Они были выделены в группу одноклеточные (Протисты). Затем открыли бактерий и выделили их в отдельное царство. Позже было в отдельное царство были выделены грибы. Для нас они кажутся похожими на растения, но, тем не менее, от растений они существенно отличаются, в частности, тем, что, как животные, запасают гликоген, а не крахмал.

Итак, живые организмы разделили на царства Растений, Грибов, Животных и Простейших (одноклеточных), и царство бактерий, в которую входили все прокариоты. Но когда изучали бактерий, оказалось, что они также делятся на две сильно отличающиеся группы. Соответственно, их пришлось разделить на два царства: Эубактерии (собственно бактерии) и Архебактерии (другое название - Археи). Последние также не имеют ядра, но по структуре сильно отличаются от бактерий (рис. 1)

Такое деление возникло недавно. В 1990 году вышла посвященная этой теме публикация. Деление было сделано на основе последовательности рибосомной РНК. Если раньше для того, чтобы описать какой-либо новый вид, нужно было изучить организм, описать, как он питается, его морфологию, и только после этого его можно было классифицировать, то сейчас классификацию организма можно провести, даже не зная, как он выглядит. Достаточно просеквенировать (определить последовательность нуклеотидов) его рибосомную РНК. И поскольку для многих организмов последовательность рибосомной РНК известна, то по степени сходства этих РНК строится классификация, а не по внешнему сходству или по особенностям метаболизма. Некоторые группы архебактерий так и были описаны: рибосомные РНК есть, а сами организмы пока никто не видел. В чем же смысл перехода к классификации по степени сходства рибосомной РНК? Рибосомная РНК отражает родство по происхождению, в то время как одинаковая форма может быть у совершенно неродственных животных. Если вспомнить лягушку, крокодила и бегемота, то окажется, что глаза у них из воды торчат похожим образом. Но эти животные относятся к разным классам. То есть, построение классификации на основе рибосомной РНК отображает родство организмов, но зато зачастую не отражает сходство в образе их жизни. Почему выбрана именно рибосомная РНК? Потому что это самая консервативная, т.е. наиболее медленно меняющаяся, часть генома. Ниже на рисунке представлено дерево родства разных организмов. На нем выделяются группы бактерий, архей и эукариот. Эти группы, более высокого ранга, чем царства. Их называют надцарства или домены. Термин домен используется в разных науках. В данном случае, в систематике, «домен» обозначает группу (рангом выше царства), объединяющую разные организмы, обладающие определенным набором общих черт.

2. Строение и функции прокариотической клетки

У прокариотических клеток есть цитоплазматическая мембрана, также как и эукариотических. У бактерий мембрана двуслойная (липидный бислой), у архей мембрана довольно часто бывает однослойной. Мембрана архей состоит из веществ, отличных от тех, из которых состоит мембрана бактерий. Поверхность клеток может быть покрыта капсулой, чехлов или слизью. У них могут быть жгутики и ворсинки.

Клеточное ядро, такое как у эукариот, у прокариот отсутствует. ДНК находится внутри клетки, упорядоченно свернутая и поддерживаемая белками. Этот ДНК-белковый комплекс называется нуклеоид. У эубактерий белки, которые поддерживают, ДНК отличаются от гистонов, которые образуют нуклеосомы (у эукариот). А у архибактерий гистоны есть, и этим они похожи на эукариот. Энергетические процессы у прокариотов идут в цитоплазме и на специальных структурах - мезосомах (выростах клеточной мембраны, которые закручены в спираль для увеличения площади поверхности, на которой происходит синтез АТФ). Внутри клетки могут находиться газовые пузырьки, запасные вещества в виде гранул полифосфатов, гранул углеводов, жировых капель. Могут присутствовать включения серы (образующейся, например, в результате бескислородного фотосинтеза). У фотосинтетических бактерий имеются складчатые структуры, называемые тилакоидами, на которых идет фотосинтез. Таким образом, у прокариот, в принципе, имеются те же самые элементы, но без перегородок, без внутренних мембран. Те перегородки, которые имеются, являются выростами клеточной мембраны.

Самая маленькая бактерия - это паразитическая микоплазма (она живет внутри клеток эукариот). Она имеет размер 0,1 мкм. Самые большие представители прокариот видны невооруженным глазом (граница видимости - 70-80 мкм). Эта спирохета имеет длину 250 мкм. Типичный же представитель прокариот имеет размер 0,5 мкм в ширину и 2 мкм в ширину. Для сравнения приведены размеры вируса герпеса - одного из самых крупных вирусов (имеет размер, сравнимый с размерами паразитической микоплазмы), и вируса желтой лихорадки - одного из самых маленьких вирусов, в пять раз меньше вируса герпеса; а также размеры молекул глобулярных белков и эукариотических одноклеточных организмов (размеры них намного больше, чем у прокариот).

Форма прокариотических клеток не так уж и разнообразна. Круглые клетки называются кокки. Такую форму могут иметь как археи, так и эубактерии. Стрептококки - это кокки, вытянутые в цепочку. Стафилококки - это «грозди» кокков, диплококки -кокки, объединенные по две клетки, тетрады - по четыре, и сарцины - по восемь. Полочкообразные бактерии назыаются бациллами. Две палочки - диплобациллы, вытянутые в цепочку - стрептобациллы. Еще выделяют коринеформные бактерии (с расширением на концах, похожим на булаву), спириллы (длинные завитые клетки), вибрионы (коротенькие загнутые клетки) и спирохеты (завиваются не так, как спириллы) (рис.5).

Хотя и археи, и бактерии относятся к прокариотическим (безядерным) организмам, строение их клеток имеет некоторые существенные отличия. Как уже было отмечено выше, бактерии имеют липидный бислой (когда гидрофобные концы погружены в мембрану, а заряженные головки торчат с двух сторон наружу), а археи могут иметь монослойную мембрану (заряженные головки имеются с двух сторон, а внутри единая целая молекула; эта структура может быть более жесткой, чем бислой). Ниже представлено строение клеточной мембраны архебактерии.

Бактерии и археи отличаются строением и размером РНК-полимеры. В состав бактериальных РНК-полимераз входит 4-8 белковых субъединиц, в сотав эукариотических РНК-полимераз входит 10-14 белковых субъединиц, а у архей размер промежуточный: 5-11 субъединиц. Рибосомы бактерий меньше рибосом эукариот и меньше, чем рибосомы архей (которые также имеют промежуточные размеры).

3. Размножение и образ жизни прокариотов

Размножаются прокариоты чаще всего простым делением клетки. Реже встречается почкование, когда отшнуровывающаяся молодая клетка много мельче материнской. Разделившиеся клетки часто остаются вместе, образуя нити, а иногда и более сложные структуры. В благоприятных условиях прокариоты растут очень быстро, по геометрической прогрессии. Захватив все ресурсы, популяция останавливает рост. Далее численность их может снижаться из-за отравления продуктами своего же обмена. В проточной среде скорость роста постоянна и зависит от температуры и количества пищи. Поэтому, в профильтрованной через почву ключевой воде бактерий нет - они не успевают размножаться до того, как их выносит за пределы источника.

В неблагоприятных условиях некоторые бактерии образуют споры - покоящиеся стадии, покрытые плотной оболочкой. В виде спор они выносят высокую температуру, порой даже выше 1000С и остаются жизнеспособными многие годы. Наоборот, растущие, делящиеся клетки большинства прокариот погибают уже при 800С. Есть, однако, и любители высокой температуры - термофилы, живущие в горячих источниках.

Микробиологи часто выращивают бактерии на поверхности твердой среды в мясном отваре с желатином или агаром. Клетка, попавшая на поверхность этого питательного студня, начинает делиться и образует колонию (пятно определенной формы и цвета), в которой все клетки - потомки одной, первоначальной. Это очень распространенный прием получения чистой линии микробов.

Хотя микроорганизмы незаметны в природе, они распространены в огромных количествах везде, особенно в почве. Фактически весь облик Земли создан ими. Питаться они могут фактически всем, исключая созданные человеком пластмассы, стиральные порошки и яды. Все прочее может усваиваться всевозможными бактериями.

Микроорганизмы характеризуют по природе трех необходимых компонентов жизни: энергии, углерода и водорода.

Водород нужен не сам по себе, а как источник электронов, поэтому он может быть заменен другими соединениями и элементами, легко отдающими электроны.

По источнику энергии различают две категории организмов: фототрофы (использующие солнечный свет) и химотрофы (использующие энергию химических связей в питательных веществах).

По источнику углерода выделяют автотрофы (СО2) и гетеротрофы (органическое вещество). Наконец, по источнику водорода (электронов) различают органотрофы (потребляющие органику) и литотрофы (потребляющие необязательно камни /по греч. «литос» - камень), а производственные литосферы - каменной оболочки Земли; это могут быть и сам Н2 и NH3, H2S, S, SO, Fe2+ и так далее.

По такой классификации земные растения - фотолитотрофы (светокамнееды), животные - хемоорганотрофы (органоеды). В мире прокариот встречаются самые удивительные сочетания.

У прокариот есть еще одно замечательное свойство, которого лишены высшие организмы. Хотя азот (N2) по гречески означает «безжизненный», он необходим для жизни, поэтому он входит в состав основных ее слагающих - белков и нуклеиновых кислот. Но усваивать атмосферный азот ни растения, ни животные не в состоянии, это могут делать только некоторые прокариоты, сначала восстанавливая его до аммиака (NH3), затем превращая в нитриты (NO2) и нитраты (NO3). До развития химической промышленности все мы жили за счет бактерий.

4. Основные группы прокариотов

4.1 Бактерии - фототрофы

Многие бактерии используют свет, как источник энергии. Все они окрашены в красный, оранжевый, зеленый или сине-зеленый цвет; ведь для того, чтобы свет произвел какую-либо работу, он должен быть поглощен красителем - пигментом. У бактерий это разнообразные хлорофиллы и каротиноиды.

Пурпурные серные бактерии получают водород (электроны) из сероводорода (H2S), окисляя его до серы и сульфатов. Пурпурные несерные бактерии получают его из растворенных органических веществ.

Земные бактерии также могут усваивать H2S, молекулярный водород и органику. Большинство из них могут связывать молекулярный азот. Обитают они, чаще всего, в водоемах на поверхности ила, некоторые в горячих источниках.

Особенность бактериального фотосинтеза в том, что при нем выделяется свободный кислород (О2). Такой фотосинтез называют аноксигенным (бескислородным).

Совсем по-другому используют энергию солнечного излучения цианобактерии (их неточно называли сине-зелеными водорослями). Они расщепляют воду и используют водород, а молекулярный кислород выделяется в атмосферу. Полагают, что именно цианобактерии со своим оксигенным фотосинтезом сделали атмосферу нашей планеты кислородной.

Цианобактерии устойчивые к бытовому и промышленному загрязнению, вызывают «цветение» и порчу в водоемах, озерах, водохранилищах. Они могут жить и на прибрежных камнях и скалах, в горах и пустынях (им достаточно росы), в горячих источниках.

Но неприятности, порой причиняемые цианобактериями, можно «простить», и не только за то, что они когда-то сделали атмосферу Земли пригодной для нашего дыхания, выделяя свободный кислород.

Эти организмы активно связывают атмосферный азот, обеспечивая урожай рисовых полей и продуктивность всех других водоемов.

4.2 Бактерии - хемоавтротрофы

Многие бактерии получают энергию используя неорганические вещества: аммиак, нитриты, соединение серы, двухвалентное железо и ионы других металлов. Источником углерода для них является углекислый газ. К ним относятся бактерии, превращающие аммиак в нитриты - в нитраты. Другие бактерии получают энергию для своего роста, окисляя соединения серы.

Так как сера и сероводород часто встречаются в горячих вулканических источниках, эти бактерии там обычны. Металлурги древности, в том числе и на Руси, высоко ценили железные болотные руды, залегавшие в болотах. Из них на древесном угле получалось высококачественное, чистейшее железо. Эти руды создают бактерии, окисляя двухвалентное железо до трехвалентного.

Некоторые из железобактерий могут окислять и серу, перерабатывая растворимые сульфаты не только сульфиды железа, но и других металлов. Сейчас такие бактерии помогают металлургам, выщелачивая из бедных руд, цинк, сурьму, никель, марганец, молибден и уран. Проще всего через толстый слой измельченной породы пропускать воду с бактериями и собирать вытекающую воду с сульфатами соответствующих металлов. Все другие способы здесь оказываются экономически не выгодными.

4.3 Бактерии - органотрофы

Теперь перейдем к бактериям, потребляющим органическое вещество. Еще в прошлом веке великий французский химик и микробиолог Л.Пастер понял, что без микроорганизмов гниение и брожение превращающих органику в неорганические соединения NH3, H2S, CO2, H2O жизнь на Земле стала бы невозможной. Именно они замыкают круговорот биогенных веществ на нашей планете, поставляя зеленым растениям - фитотрофам необходимое «сырье». «Не по зубам» микроорганизмам только созданные человеком пластмассы, стиральные порошки и яды. Поэтому, они накапливаются в окружающей нас среде и уже начинают угрожать существованию самого человека.

Из микроорганизмов - органотрофов, чаще всего, люди применяют в своей практике бактерии, использующие как источник энергии реакцию брожения. Эти процессы идут без участия кислорода микроорганизмы, не нуждающиеся в Н2О, называют анаэробами.

Различают обязательных, облигатных анаэробов, для которых свободный кислород является ядом смертельным; и необязательных, факультативных, которые легко переходят от брожения к кислородному дыханию.

Бактерии молочнокислого брожения, получают энергию, превращая углеводы в молочную кислоту. Эта реакция идет и в мышцах, при очень напряженной работе, когда кровь не успевает доставлять кислород. Но в наших организмах она не может идти долго - образующаяся при этом молочная кислота, которую физиологи выразительно называют «токсином усталости» утомляют мышцу. Молочнокислые бактерии превращают молоко в простоквашу, кефир и кумыс. Они же образуют кислое тесто, разные сорта сыра, квашение капусты и огурцов, силос.

Другие бактерии при брожении выделяют иные органические кислоты: пропионовую, муравьиную, уксусную, янтарную, а также другие соединения. Некоторые из них используют в химической промышленности.

Перейдем к прокариотам, которые приспособились к жизни на покровах и в кишечниках животных. Среди них есть полезные для своих хозяев. Коровы, овцы и все жвачные животные содержат в своих сложных желудках огромное количество бактерий, расщепляющих клетчатку (целлюлозу). Другие кишечные бактерии поставляют хозяевам витамины. Есть среди них и просто «нахлебники», не приносящие прямой пользы, но для хозяев не безразличны.

Человек не исключение, на нашей коже обретает немало бактерий, потребляющих органические вещества пота. Мы периодически смываем их, но если эти бактерии исчезнут все, например, при злоупотреблении антибиотиками освободившееся место займут дрожжеподобные грибки, которые могут вызвать кожные болезни.

Но несравненно больше бактерий в содержимом наших кишечников. Кал человека на 30% по массе состоит из бактерий. В основном, это строгие облигатные анаэробы из рода Bactericides. Гораздо меньше факультативных анаэробов, которые могут размножаться в кислородной атмосфере. Из них наиболее известна кишечная палочка. Кишечную палочку легко выращивать и в лаборатории. Это самая изученная бактерия, потому что многие десятки лет служит любимыми объектом молекулярных биологов и генных инженеров.

4.4 Бактерии паразиты

Это бактерии, вызывающие болезни. Широко распространена опасная болезнь дизентерия. Дизентерийная палочка, размножаясь в кишечнике, вызывает его опасное расстройство («кровяной понос»). Близкими возбудителями вызывается сальмонеллез и брюшной тиф. Все они называются «болезнями грязных рук», но заразиться ими можно и через мух, загрязненную пищу и воду. Еще боле опасна холера, ее вызывает один из видов вибрионов - факультативный анаэроб, распространяющийся со сточными водами. Клетки ее выделяют опасный яд- токсин, от которого разрушаются клетки слизистой оболочки кишечника, организм теряет много воды, и от обезвоживания может наступить смерть.

Многие бактерии поражают дыхательные пути, вследствие чего человек заболевает ангиной. Похожа на нее по симптомам, но несравненно более опасна дифтерия, вызываемая палочкой булавовидной своеобразной формы. Она поражает полость зева и миндалины. Опасна дифтерийная палочка не сама по себе, а лишь те ее разновидности, которые содержат «прирученный» вирус - «нахлебник». Этот вирус вырабатывает токсин, блокирующий синтез белка в клетках эукариот, в том числе в сердечной мышце, нервах и почках. Особенно опасна дифтерия для детей. Широко распространены разные формы пневмонии (воспаление легких), вызываемой пневмококками.

Еще в начале века слово «туберкулез» вселяло ужас, как сейчас СПИД. В то время эта болезнь поражающая обычно легкие, была неизлечима. Но она может поражать и другие органы (костный туберкулез). Вызывается она так называемой «палочкой Коха», по имени описавшего ее Р.Коха, великого немецкого микробиолога. Относится палочка Коха к микробактериям. К ней близок возбудитель проказы - тяжелейшей и трудноизлечимой болезни.

Другие микробактерии обитают в почве, некоторые из них могут усваивать такие вещества, как нефть, парафин, нафталин. Сейчас туберкулез излечим, но по-прежнему считается серьезной болезнью.

С незапамятных времен бичем человечества была чума, от которой в средние века вымирали целые города. Эта болезнь вызывается чумной палочкой. Собственно чума - болезнь грызунов. От них к человеку она переносится блохами. Даже сейчас, несмотря на прививки и лекарства, чума лечится трудно. Легче предупреждать ее вспышки.

Штопоровидно закрученные микроорганизмы - спирохеты - также могут быть возбудителями опасных болезней; возвратного тифа, инфекционной желтухи, сифилиса.

Особняком стоят микроорганизмы облигатные, строгие анаэробы. К ним относятся возбудители опаснейших болезней: газовой гангрены, столбняка, ботулизма. Первыми двумя люди заболевают, когда в раны попадает земля. В таких случаях срочно нужно делать прививку. Бактерия ботулизма развивается в мясных и рыбных продуктах и бобовых консервах, богатых белком. Она выделяет смертельный токсин - ботулин, вызывающий паралич дыхания. Раньше его называли колбасным ядом.

5. Сине - зеленые водоросли.

Сине-зеленые водоросли (цианеи) - наиболее древние (возникли свыше 3-х млрд. лет назад) водные или реже почвенные автотрофные организмы. Клетки имеют толстые многочисленные стенки (состоят из полисахаридов, пектиновых веществ и целлюлозы), часто одеты слизистым чехлом. Их прокариотические клетки по строению сходны с бактериями. Фотосинтез осуществляется на свободно лежащих в цитоплазме мембранах, содержащих хлорофилл и другие пигменты.

У многих видов сине-зеленых водорослей встречаются наполненные азотом вакуоли. Эти вакуоли регулируют плавучесть клетки, и позволяет ей парить в толще воды. Размножаются, обычно, сине-зеленые водоросли путем деления клетки надвое, колониальные или нитчатые - распадом колоний или нитей. При неблагоприятных условиях могут образовываться споры.

Сине-зеленые водоросли широко распространены в биосфере, но основная масса видов населяет пресноводные водоемы, некоторые виды живут в морях и на суше. Другие живут в местах загрязнения органическими веществами, питаясь микотрофно. Они способны очищать воду, минерализуя продукты гниения.

Некоторые сине-зеленые водоросли способны к фиксации азота. Сине-зеленые водоросли встречаются в качестве симбионтов во многих лишайниках. Цианеи первыми осваивают следующие места обитания - вулканически острова, лавовые потоки.

Заключение

Итак, в заключение хотелось бы сказать, что бактерии - типичные прокариотические организмы. Бактерии самые древние поселенцы земли, они живут уже два миллиарда лет. Ученым известно около 2 500 видов. Бактерии имеют клеточное строение, но не имеют ядра, отделенного мембраной от цитоплазмы. Большинство бактерий не содержит хлорофилла и питается готовыми органическими веществами - гетеротрофно. Бактерии освоили все среды обитания. Они живут практически везде: в почве, в пыли, в воздухе, в воде, на теле животных, внутри живых организмов. Они сохраняют свою жизнеспособность в горячих источниках при температуре 90 градусов С, в нефтяных скважинах на глубине 1 700 метров , на дне океана - глубже 10 километров . Некоторые бактерии выживают после пятидневного кипячения, в условиях вакуума. Многие бактерии могут жить без кислорода. Численность бактерий огромна: в одном грамме плодородной почвы может находиться до 2 миллиардов бактерий.

Бактерии по форме разнообразны: шаровидные (кокки), палочковидные (бациллы), изогнутые (вибрионы), спиральные (спириллы), в виде цепочки (стрептококки), в виде гроздей (стафилококки). Некоторые бактерии имеют жгутики.

Бактерии очень быстро размножаются, каждые 20-30 минут. Теоретически их численность растет в геометрической прогрессии. Размножение ограничивается климатическими условиями, действием солнечного света, борьбой между видами, накоплением продуктов обмена.

Это очень интересные микроорганизмы, но вредные для человека. У них есть уникальная структура, своя жизнь.

Список литературы

1. Материалы с сайта http://bio.fizteh.ru

2. Гильберт С. Биология развития. т.1, 1993 г.

3. Голиченков В.А. Биология развития. 1991 г.

4. Грин Н. и др. Биология. т.1, 1993 г.

5. Иванова Т.В. Биология. 2002 год.

6. Кемп, Памела Армс, Карен. Введение в биологию, 1998 г.

7. Мамонтов С.Г. Биология, 1991 г.

8. Медников Б. Биология формы и уровня жизни, 1994 г.

9. Мустафин и др. Биология для поступающих в вуз, 1995 г.

10. Павлов И.Ю. и др. Биология, 1996 г.

11. Чебышев Н.В., Кузнецов. Биология для поступающих в вуз. т.1. 2000 г.

Приложение №1

Рис. 1 Деление на два царства - Эубактерии и Архебактерии

Приложение №2

Рис. 2 Родство групп.

Приложение №3

Рис. 3 Строение прокариотической клетки.

Приложение №4

Рис. 4 Размеры микроорганизмов.

Приложение №5

Рис. 5