Форма и свойства бактериальной клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Форма и свойства бактериальной клетки

Царство бактерий, грибов

Существует совсем немного основных форм бактериальной клетки. Все они приведены на рисунке внизу. И совсем нерешенная проблема -- раковые заболевания. Научиться бороться с вирусами, вызывающими злокачественные опухоли, предстоит врачам будущего.

Читатель: Разве раковые заболевания имеют вирусное происхождение? Автор: В этом вопросе полной ясности пока нет. Известно, что некоторые вирусы действительно вызывают появление и развитие опухолей.

Бактерии, имеющие форму шариков, называют кокками (по-гречески «кокос» - зерно). Шарики могут объединяться в пары (диплококки), выстраиваться в цепочки (стрептококки; по-гречески «стрептос» - цепочка), образовывать подобие виноградной грозди (стафилококки; по-гречески «стафилус» - виноград), склеиваться по четыре (сарцины; от латинского «сарцина» -- связка, узел). Бактерии в форме палочек называют бациллами (так называется «палочка» на латинском языке). Бактерии в виде искривленных палочек, похожих на запятые, называют вибрионами (не путай с вирионами!). Название происходит от латинского «вибро», что означает «извиваюсь, колеблюсь». Спирально изогнутые бактерии называют спириллами.

В среднем бактерии существенно крупнее вирионов. Их размеры составляют несколько микрометров (микрометр - тысячная доля миллиметра). Если вирионы можно обнаружить только с помощью электронного микроскопа, то для наблюдения бактерий вполне годятся оптические микроскопы. Заметим, что впервые бактерии заметил в конце XVII века нидерландский натуралист Антони ван Левенгук в простейший микроскоп - лупу в форме маленькой каплевидной линзы. Линзу-шарик Левенгук получал, оплавляя над огнем тонкую стеклянную нить.

Многие бактерии обладают жгутиками. Благодаря быстрому вращению жгутиков бактериальная клетка может достаточно быстро перемещаться. Например, скорость движения вибриона холеры достигает нескольких метров в минуту.

Размножаются бактериальные клетки путем простого деления. Скорость, с какой происходит размножение, зависит от внешних условий. При благоприятных условиях клетка может делиться каждые 10-30 минут. Однако в ограниченном объеме скорость роста числа бактерий уменьшается, а затем рост и вовсе прекращается - все пищевые ресурсы данной популяции бактерии исчерпаны, и в дальнейшем бактерии начинают погибать из-за отравления продуктами своего же обмена. В проточной воде скорость роста бактерии сохраняется постоянной. Она зависит от температуры и количества пищевых ресурсов.

При неблагоприятных условиях у многих бактерий содержимое клетки отходит от клеточной оболочки, уплотняется и покрывается новой оболочкой - так возникают споры. Споры могут выдерживать длительное высушивание, нагревание свыше 100 °С и охлаждение почти до абсолютного нуля. В обычном же состоянии бактерии неустойчивы к отрицательным внешним воздействиям и могут довольно быстро погибать при высушивании, нагревании до 70-80 °С. Погибают они и под действием солнечного света и дезинфицирующих веществ.

Царство бактерий исключительно обширно. Бактерии распространены везде - в воздухе, в воде, почвах, горных породах, живых организмах, останках живых организмов.

Многообразие бактерий

В теме 2 упоминались первичные автотрофные организмы: цианобактерии (так называемые синезеленые водоросли) и серобактерии. И те, и другие использовали (и используют по сей день) солнечный свет как источник энергии; они осуществляют фотосинтез. Цианобактерии, расщепляя молекулы воды, генерируют свободный кислород (оксигенный фотосинтез), тогда как зеленые серобактерии кислород не генерируют (аноксиген-ный фотосинтез). Бактерии, которые используют свет как источник энергии и осуществляют фотосинтез, объединяют под общим названием - бак-терии-фототрофы. Они являются автотрофными организмами.

Особенно многочисленны бактерии не с автотрофным, а с гетеротрофным питанием. Они потребляют органические вещества и превращают их в неорганические соединения, выполняя тем самым исключительно важную работу по очищению планеты от остатков растений. Такую же работу, заметим, выполняют и грибы. Но роль бактерий здесь особенно велика. Недаром так много бактерий находится в почве. Мы говорили с тобой об этом в теме 1 в первой части книги. Именно благодаря гетеротрофным бактериям гниения почва «переваривает» почти все, что туда попадает и как бы в обмен одаряет Землю растениями. Не справляется она, пожалуй, лишь с пластмассами, созданными человеком. Они бактериям «не по зубам». Как и стиральные порошки и некоторые яды. Поэтому многие химические отходы постепенно накапливаются в окружающей нас среде и давно уже начинают угрожать человечеству.

Из гетеротрофных бактерий человек широко применяет в своей практике бактерии брожения. Процессы брожения идут без участия кислорода. Бактерии, осуществляющие эти процессы, называют анаэробными. Мы касались таких бактерий в п. 2.1. Различают анаэробные бактерии, для которых свободный кислород вроде смертельного яда (так называемые облигатные анаэробы), и анаэробные бактерии, для которых кислород не обязателен, но вреда не причиняет, поскольку они могут легко переходить от брожения к кислородному дыханию (так называемые факультативные анаэробы).

Бактерии молочнокислого брожения получают энергию, превращая углеводы (молочный сахар, т.е. лактозу) в молочную кислоту. Такие процессы идут в мышцах при очень напряженной работе, когда кровь не успевает доставлять кислород. Но они не могут идти долго, поскольку образующаяся молочная кислота (физиологи называют ее «токсином усталости») утомляет мышцу. Молочнокислые бактерии превращают молоко в простоквашу, кефир, кумыс. Они же образуют кислое тесто, разные сорта сыра, квашеную капусту, а также силос. В случаях с силосом и капустой молочная кислота служит консервирующим средством; она не позволяет развиваться другим бактериям.

Многие бактерии живут на покровах и в кишечниках животных, в том числе человека. Среди них есть весьма полезные. Коровы, овцы, вообще жвачные животные содержат в своих сложных желудках огромное количество бактерий, расщепляющих клетчатку (целлюлозу). Есть такое понятие - кишечная флора. Это те бактерии, которые живут в кишечнике человека и других млекопитающих и играют весьма важную роль в процессах пищеварения. бактерия вирус клетка гетеротрофный

Однако внутри нашего организма могут находиться также бактерии-паразиты, вызывающие болезни. Именно их чаще всего имеют в виду многие люди, говоря о бактериях. Весьма опасное заболевание вызывает один из видов вибрионов, распространяющийся со сточными водами; он вызывает холеру. Клетки этой бактерии выделяют опасный яд, 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 бациллой своеобразной булавовидной формы. Она поражает полость рта и миндалины и препятствует синтезу белка в различных клетках, в том числе в клетках сердечной мышцы, нервов, почек. Особая бацилла (палочка Коха) вызывает туберкулез, поражая легкие. Издавна бичом человечества была чума; от нее в средние века вымирали целые города. Эта болезнь вызывается чумной палочкой. Собственно говоря, чума - болезнь грызунов (крыс, сусликов, сурков). От них к человеку она переносится блохами. Штопоровидные бактерии (спирохеты) могут быть возбудителями таких опасных болезней, как возвратный тиф, инфекционная желтуха, сифилис (последний передается обычно половым путем).

Особняком стоят облигатные анаэробные бактерии, являющиеся возбудителями газовой гангрены, столбняка, ботулизма. Первыми двумя люди заболевают, когда в раны попадает земля; в таких случаях необходима срочная прививка. 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. Поэтому подозрительные пищевые продукты лучше есть проваренными или поджаренными (ботулин распадается при 100 С).

Предупреждение и лечение болезней, вызываемых бактериями

До второй половины XIX века медицина практически не могла лечить болезни, вызываемые бактериями. Сегодня медики с большинством из них успешно справляются. Разработаны два основных пути предупреждения и лечения болезней. Первый путь - прививки, вакцины. Второй путь -применение антибиотиков. Дело в том, что многие микроорганизмы (бактерии и низшие грибы) ведут друг с другом настоящую «химическую войну», выделяя в окружающую среду органические вещества, которые для них самих безвредны, но убивают конкурентов за пищевые ресурсы. Люди научились находить такие микроорганизмы, выращивать их на специальных средах и выделять из них упомянутые выше органические вещества -антибиотики. Первый эффективный антибиотик (пенициллин) открыл в 1929 году английский микробиолог Александр Флеминг (1881-1955).

Антибиотики произвели в лечении болезней, вызываемых бактериями, настоящую революцию. Правда, не все люди могут их переносить. Кроме того, если лечение проводится слишком малыми дозами, в организме больного идет отбор устойчивых к данному антибиотику бактерий. В результате возникает неуязвимая разновидность - штамм возбудителя болезни. С другой стороны, при длительном применении антибиотиков могут происходить серьезные нарушения кишечной флоры; наряду с бактериями-паразитами могут погибать также полезные бактерии.

То, что ты называешь грибом, есть не сам гриб, а всего лишь плодовое тело гриба. Многие грибы в нашем обычном понимании на грибы не похожи. Таковы, например, дрожжевые и плесневые грибы. Они относятся к так называемым низшим грибам.

Следует сказать похвальное слово низшим грибам. Грибники ими не интересуются. Однако низшие грибы играют в природе большую роль, и многие из них приносят человеку немалую пользу. Как и бактерии, они превращают органику в неорганические соединения. Особенно важна их роль в разложении клетчатки и других остатков растений. Без дрожжевых грибов невозможно приготовление хлеба, кваса, вина, пива, гидролизного спирта (а значит, искусственного каучука). Дрожжевые грибы используют для получения кормового белка. Они превращают отходы лесной промышленности в так называемые кормовые дрожжи; могут превращать целлюлозу в виноградный сахар - глюкозу. Они же придают особый вкус деликатесным сортам сыра (рокфору и камамберу). Наконец, низшие грибы могут быть источниками ценных лекарств.

Впрочем, существуют и далеко не безвредные низшие грибы. Один из опаснейших вредителей картофеля и томатов - фитофтора. Этот гриб поражает ботву и клубни картофеля, отчего они чернеют. Столь же опасен другой гриб - синхитриум, возбудитель рака картофеля. Клубни покрываются бугристыми разрастаниями и содержат мало крахмала.

Среди высших грибов есть так называемые сумчатые грибы. Гриб спорынья относится к этому классу грибов. Он известен как паразит ржи. Спорынья образует в пораженных колосьях ржи хоюошо наблюдаемые черные плотные рожки, содержащие довольно сильный яд. Если эти коварные рожки вместе с зерном будут смолоты в муку, может возникнуть отравление с судорогой, рвотой, болями в желудке. К сумчатым грибам относятся также всем известные сморчки и строчки. Их плодовые тела, появляющиеся ранней весной, съедобны и вкусны, надо только их предварительно отварить, а воду слить.

Грибы, за которыми охотятся грибники, относятся к высшим грибам класса базиадалъных грибов. Их плодовые тела имеют характерную форму - зонтообразная шляпка на ножке. Наверняка тебе известны многие съедобные грибы: белые, подосиновики, подберезовики, маслята, опята, сыроежки, рыжики, грузди, волнушки и другие. Можно надеяться, что в лесу ты не спутаешь с ними другие грибы, которые могут оказаться ядовитыми. Очень полезно познакомиться по справочникам и атласам с видом грибов (точнее, их плодовых тел) - как съедобных, так и несъедобных.

Наиболее опасен бледный мухомор, известный также, как бледная поганка. Яд бледной поганки не обезвреживается при кипячении, признаки отравления наступают через сутки, когда оказывать помощь уже поздно. Основная часть смертельных отравлений грибами приходится на эту поганку. Спутать ее можно с молодым шампиньоном, но у шампиньона нижняя поверхность шляпки белая только в раннем возрасте, а затем она становится сиреневой, темнеет. У бледной поганки она не темнеет. Внимательно изучи по картинкам вид плодового тела бледной поганки и остерегайся спутать ее с другими грибами (шампиньонами, сыроежками), когда пойдешь в лес по грибы. А вообще пользуйся мудрым правилом: если не уверен, какой перед тобой гриб, не бери его.

Растения подразделяются на низшие и высшие. К низшим растениям относят водоросли и лишайники. Среди высших растений следует отметить основные отделы, имеющие названия: моховидные, папоротниковидные, голосеменные и цветковые (покрытосеменные).

Известно около 30 тыс. видов водорослей. Среди них есть простейшие организмы (одноклеточные водоросли), колонии (коллективы) одноклеточных организмов, многоклеточные водоросли. В некоторых случаях одноклеточные водоросли оказываются гигантской клеткой, внешне напоминающей некий цветок на стебле - так выглядит, например, одноклеточная водоросль ацетабулярия, достигающая высоты 10 см и более. Ты можешь найти ее на странице, где представлены различные водоросли. В п. 2.6 мы познакомились с водорослью вольвоксом в виде шара; эта водоросль образована несколькими десятками тысяч одноклеточных организмов, составляющих как бы единый коллектив - прообраз многоклеточного организма.

При всей своей причудливости многие водоросли напоминают растения со стеблями, листьями, корнями. Однако не следует поддаваться первому впечатлению. У водорослей нет ни стеблей, ни листьев, ни корней, ни, разумеется, цветков. У водоросли есть таллом и ризоиды. Таллом -это основное тело водоросли, напоминающее лист или стебель; его называют также слоевищем. Ризоиды - это похожие на корни отростки, служащие «якорями», с помощью которых водоросль прикрепляется к грунту. В отличие от корней высших растений ризоиды не всасывают воду и растворенные в ней соли. Вода и соли проникают внутрь водоросли через внешнюю оболочку таллома.

Хотя лишайники принято относить к низшим растениям, строго говоря, они вовсе не растения. Лишайник - это симбиоз водоросли и гриба, т.е. симбиоз автотрофного и гетеротрофного организмов. Подчеркнем, что существование такого симбиоза - еще одно доказательство единого происхождения автотрофных и гетеротрофных эукариот (вспомни схему возникновения одноклеточных эукариот, изображенною в п. 2.4). Гриб снабжает водоросль в лишайнике водой и солями, а водоросль снабжает гриб органическими веществами. Через посредство водоросли лишайник усваивает энергию солнечных лучей. В принципе, он не нуждается в органике. Недаром лишайники могут расти на голых камнях.

Известно 26 тыс. видов лишайников. Учитывая форму, различают лишайники: накипные, или корковые (в виде тонкой корочки), листоватые (в виде листовидных пластинок), кустистые (в виде прямостоячего кустика или повисающей бороды). На рисунках, изображенных на отдельной странице, ты можешь видеть представителей накипных лишайников (7 - леканора), листоватых лишайников (8 - пармелия козлиная, 9 - нефрома арктическая), кустистых лишайников (10 -- эверния сливовая, 11 - кладония альпийская, 12 - кладония пальчатая, 13 - уснея длиннейшая). Кустистые лишайники нередко путают с мхами. Так появилось название «олений мох». Этот лишайник (он не мох, а именно лишайник!) порой сплошным покровом устилает тундру. Он служит пищей для пасущихся там оленей.

Как выглядит лишайник, если посмотреть на него под микроскопом? Можно увидеть сплетения тонких ветвящихся нитей, образующих тело гриба (эти нити называют гифами). Между нитями располагаются округлые тельца зеленого или сине-зеленого цвета. В них идет фотосинтез.

Роль лишайников в природе весьма значительна. Благодаря им россыпи камней по прошествии сотен и тысяч лет могут превратиться в плодородные луга.

Известно около 30 тыс. видов моховидных растении (мхов). Отдел мхов ученые относят к высшим растениям. Возможно, было бы правильнее рассматривать отдел мхов как переходную форму от низших растений к высшим, т.е. к растениям, расчлененным на стебли, листья, корни. У так называемых печеночных мхов стеблей и листьев нет, а у листостебельных мхов (которые, кстати говоря, очень распространены в наших лесах и болотах) они уже есть. Что касается корней, то они у мхов отсутствуют. Как и у водорослей, их заменяют отростки, называемые ризоидами. Впрочем, у некоторых мхов ризоиды тоже отсутствуют.

В эволюции царства растений мхи, конечно, стоят на более высокой ступеньке по сравнению с водорослями. Об этом говорит не только появление у многих мхов стебля и системы листьев. Главное состоит в том, что мхи оказались наиболее просто организованными растениями, которые приспособились к жизни на суше. Водоросли жили (и живут) в водной среде. О лишайниках особый разговор - это симбиотические организмы. А мхи - как раз те растения, от которых впоследствии произошли остальные сухопутные растения: папоротниковидные, голосеменные, покрытосеменные. Недаром мхи называют земноводными в царстве растений. Точнее можно сказать так: от водорослей в свое время отделилась сухопутная ветвь в виде моховидных, от моховидных затем отделилась ветвь папоротниковидных, от тех затем отделились голосеменные, а от голосеменных - покрытосеменные (цветковые). Впрочем, вполне возможно, что от водорослей произошли также вымершие древние папоротниковидные, например, псилофиты, о которых упоминалось в п. 3.3.

Но вернемся ко мхам и попробуем проследить, как они постепенно приучались жить на суше. Начнем с печеночных мхов - сухопутного варианта водорослей. У водорослей, коль скоро они жили в водной среде, не было особых проблем с тем, каким образом обеспечить встречу мужской гаметы с женской (гаметы - это половые клетки; мужская гамета -сперматозоид, женская гамета - яйцеклетка). Половые клетки отделялись от водорослей и в виде спор свободно плавали в воде, окружавшей водоросли. Когда они встречались, происходило оплодотворение споры-яйцеклетки, которая на соответствующем этапе превращалась в новую водоросль. Но как обеспечить встречу сперматозоида с яйцеклеткой растению, выбравшемуся на сушу? И вот у мхов формируются специальные органы ~ антеридии (они вырабатывают сперматозоиды) и архегонии (они вырабатывают яйцеклетки). У печеночного мха маршанции формируются раздельнополые особи. У одной листоподобный таллом завершается вверху ножкой с антеридием на верхушке, а у другой - ножкой с архегонием на верхушке. Обе эти особи маршанции можно видеть на рисунке.

Предположим, прошел хороший дождь или выпала обильная роса. Капли дождевой воды или, росы играют важную роль: с их помощью сперматозоиды из антеридиев могут попасть на яйцеклетки из архегониев. В том случае, когда это происходит, возникает оплодотворенная яйцеклетка. Затем она прорастет в овальную коробочку, в которой появится много спор. Созрев, коробочка лопнет и рассыплет, споры во все стороны. Великое множество спор, конечно, погибнет. Но какие-то разовьются в новые растения с раздельными полами. И все опять повторится сначала.

Печеночный мох пеллия приспособился к жизни на суше несколько лучше, чем маршанция. У пеллии антеридии и архегонии формируются не на разных особях, а на одном и том же талломе. Антеридии размещаются прямо на верхней поверхности «листа» таллома, образуя множество мелких вздутий, а архегонии «прячутся» тоже на верхней поверхности «листа» - непосредственно у основания вырастающей из «листа» ножки. Во время дождя верхняя поверхность «листа» покрывается капельками воды. Как только это происходит, созревшие антеридии жадно поглощают воду и лопаются, высвобождая мужские гаметы, т.е. сперматозоиды. У каждого сперматозоида имеются два жгутика. Сперматозоидов образуется так много, что жидкость, покрывающая таллом, приобретает молочный оттенок. Используя жгутики, сперматозоиды подплывают к архегониям и осуществляют оплодотворение яйцеклеток. После этого формируются споры внутри коробочки-шара, находящейся на верхушке ножки таллома.

Но проблема оплодотворения - не единственная проблема, возникшая у выбравшихся на сушу растений. Для фотосинтеза растениям требуются свет и углекислый газ (а так же, конечно, вода). Значит, хотя бы часть растения должна возвышаться нал землей. А вообще-то неплохо, чтобы растение не стелилось по земле, а устремлялось ввысь. Однако вода и растворенные в ней соли остаются внизу - их можно взять только снизу, из почвы. К тому же в отличие от водной среды воздушная среда никак не поддерживает растение, не помогает удерживаться в вертикальном положении. Все это заставило сухопутные растения сформировать сначала стебли с листьями, а позднее (уже у папоротников) также и корневую систему.

Стебли и листья внешне похожи на листообразные талломы с торчащими из них ножками (это хорошо видно на рисунках с водорослями и с мхами). Но это только внешне. Внутри же ничего общего, поскольку стебли и листья имеют сосудистые и проводящие ткани. По специальным мелким сосудам и системам полых клеток, называемым трахеида-ми, вода и соли поднимаются по стеблю от земли к листьям и обеспечивают водой и солями все растение. В то же время продукты фотосинтеза устремляются от листьев к земле, проникая к местам потребления этих продуктов, а также к местам, где они откладываются в запас. Жилки листьев связаны с проводящими сосудиками, выходящими на систему сосудов стебля. В талломе водорослей ничего подобного не происходит; вода и соли проникают из окружающей водной среды внутрь таллома по всей его поверхности и практически по всей поверхности таллома осуществляется фотосинтез, нарабатываются органические вещества. Тут нет нужды в организации перемещения воды и солей в каком-то направлении вдоль таллома, равно как и перемещения продуктов фотосинтеза в обратном направлении. Такая необходимость возникла у растений, оказавшихся на суше. Она как раз и была реализована у листостебельных мхов. На рисунке можно видеть наиболее распространенные листостебельные мхи -кукушкин лен и сфагнум. Приобретя сосудистую систему стеблей и листьев, эти растения поднялись еще на одну ступеньку в эволюции растительного царства.

А вот с корнями прогресса пока не наблюдалось. Ризоиды, конечно, не решали проблему получения воды и солей из земли. А у сфагнума даже и ризоидов не было. Правда, ему они не очень-то были нужны. Многочисленные веточки на стеблях сфагнума образуют что-то вроде фитиля, по которому поднимается вода. Стебли сфагнума многолетние; постепенно их нижние части отмирают, превращаясь в торф. Они как бы вырастают из накопившегося с годами торфяного слоя.

Размещено на Allbest.ru