Биологична адаптация (от лат. Adaptatio - адаптация) е приспособяването на микроорганизма към външни условия в процеса на еволюция, включващо морфофизиологични и поведенчески компоненти. Адаптирането може да осигури оцеляване в специфично местообитание, устойчивост на въздействието на абиотични и биологични фактори, както и успех в конкуренцията с други видове, популации и индивиди. Всеки вид има своя собствена способност за адаптиране, ограничена от физиологията (индивидуална адаптация).
Дезадаптация - всяко нарушение на адаптацията, приспособяването на тялото към постоянно променящите се условия на външната или вътрешната среда. Състояние на динамично несъответствие между живия организъм и външната среда, водещо до нарушаване на физиологичното функциониране, промяна във формите на поведение, развитие на патологични процеси. Пълното несъответствие между тялото и външните условия на неговото съществуване е несъвместимо с живота. Степента на неадекватност се характеризира с нивото на дезорганизация на функционалните системи на тялото. В зависимост от естеството на функционирането има две форми на неадекватност: - непатологична: поддържането на хомеостаза е възможно при режим на засилено, но "нормално" физиологично функциониране; - патологичен: поддържането на хомеостаза е възможно само по време на прехода към патологично функциониране.
Адаптациите на видовете в рамките на една и съща биоценоза често са тясно свързани помежду си. Ако процесът на адаптация при който и да е вид не е в равновесие, тогава цялата биоценоза може да се развива (понякога с негативни последици) дори при стабилни условия на околната среда.
Основното съдържание на адаптацията според Т. Пилат са вътрешните процеси в системата, които осигуряват запазването на външните й функции по отношение на околната среда. Ако структурата на системата осигурява нормалното й функциониране в дадените условия на околната среда, тогава такава система трябва да се счита за адаптирана към тези условия. На този етап се установява динамично равновесие.
Примери за адаптация: при сладководни протозои осмотичната концентрация на протоплазмата е по-висока от тази на заобикалящата вода. Когато водата се абсорбира, тя постоянно се обезсолява. Нарушеният осмотичен баланс се регулира от дейността на контрактилната вакуола, която извежда излишната вода от тялото. Някои протозои обаче са в състояние да се адаптират към по-солена и дори морска вода. В този случай активността на контрактилната вакуола в тях се забавя и дори може напълно да спре, тъй като при тези условия елиминирането на водата от тялото би довело до повишаване на относителната концентрация на йони в протоплазмата и при това по отношение на нарушаване на осмотичното равновесие в него. Така в този случай механизмът на адаптация се свежда до директна физикохимична реакция на протоплазмата. В други случаи механизмът на адаптация изглежда по-сложен и не винаги може да бъде незабавно разложен на елементарни фактори. Такива са например приспособяването на животните към температурни условия (удължаване на козината на бозайниците под въздействието на студ), към явленията на лъчиста енергия (фототропизъм на растенията); обезцветяване на кожата на студенокръвни, поради реакцията на пигментните клетки; сезонен диморфизъм на цвета на птици и бозайници; промяна в цвета им в зависимост от климатичните и географските условия и т.н. Но и тук адаптационният механизъм може в крайна сметка да се сведе до физикохимични реакции на протоплазмата. Явленията на адаптация са тясно свързани с еволюцията на микроорганизмите и представляват един от най-съществените фактори за аклиматизация, борба за съществуване и мимикрия.
Адаптиране на микроорганизмите, настаняване на микроорганизми, приспособяването им към околната среда. Тяхната структура, физиологични свойства и химичен състав зависят както от наследствените свойства на даден вид, така и от влиянието на околната среда. Последните причиняват промяна на микроорганизма. Доскоро тези промени се смятаха за случайни и, според учението на Кон, за малко значими за основните характеристики на микроорганизма, които бяха признати за неприкосновени. С течение на времето обаче, отначало плахо, а след това все по-решително, учението за променливостта на микроорганизмите като биологичен фактор беше представено и в момента промените в микроорганизмите вече не се считат само за случайни, а се признават за по-дълбоки . Естеството на изменчивостта на микроорганизма зависи от два фактора: от индивидуалната видова устойчивост на даден микроорганизъм и от дълбочината, обхвата и силата на околната среда. Някои видове микроорганизми, като киселинно-устойчивата група, дифтерийни и гъбични форми, се променят по-малко и се адаптират по-слабо, докато ентерично-тифоидните, капсуларните, коковите, анаеробните групи претърпяват промени по-лесно. Адаптивността на микроорганизмите се отразява преди всичко във връзката им с кислорода и температурата на околната среда. Известно е, че анаеробите могат да бъдат свикнали както със свободен кислород, така и обратно. Същото трябва да се каже и за връзката с температурата на околната среда, както и с реакцията на околната среда, с действието на светлината и химичния състав на хранителния материал. Трябва да се изпълни едно условие, за да се открие тази адаптация: постепенното въздействие на нови фактори. Колкото по-бавно и постепенно действат новите условия, толкова по-лесно и по-съвършено се адаптира микроорганизмът. Тази адаптация върви в различни посоки. Условията на околната среда принуждават микроорганизма да стане по-малко взискателен към физиологичните си функции, да ги ограничи до минимум и да премине в стадия на суспендирана анимация („латентен микробизъм“), за което образува спори и е заобиколен от непроницаема лигавица, варовик. и съединителнотъканни капсули (коки, тръбички. пръчици и др.); или микроорганизмите претърпяват морфологични промени, губят цели органи и части, които са особено чувствителни към нормални условия (например трипанозомите, свикнали с арсен, губят блефаробласти (Вербицки)) и така се получават нови раси микроорганизми. Образуването на нови раси с нови свойства става особено лесно, когато микроорганизмът срещне нови химични вещества в организъм, в който е свикнал да се размножава свободно. Когато в такава среда се появят вредни вещества, някои от микроорганизмите умират, а най-устойчивите индивиди оцеляват и дават така наречените „устойчиви” или „устойчиви” раси (Enrlich). Такава устойчивост е доказана по отношение на различни химични съединения и алкалоиди (арсен, алкохол, хинин) - Приспособимостта на микроорганизмите може да върви и в обратна посока - към повишаване на тяхната жизнеспособност и придобиване на по-голяма активност. И така, малко вирулентен микроорганизъм, под влияние на отслабване на тялото, започва да се размножава бързо и да произвежда токсини, които не е имал или е имал малко преди. Пример за това са многобройните случаи на т. нар. ендогенни инфекции, когато пневмококът под въздействието на настинка причинява пневмония или Bact. coli, под влияние на грешка в диетата, причинява заболяване, подобно на дизентерия. Това "активиране" на микроорганизма не е нищо повече от приспособяването му към новите условия. Явленията на адаптация са особено добре проучени и многобройни, когато микроорганизмът се среща с имунния организъм или имунната среда. В допълнение към горните капсули, които служат като защитен слой за микроба от външната среда, в микроорганизма започват да се произвеждат агресини, които го правят малко достъпен за фагоцитите. Адаптивността на микроорганизмите стига толкова далеч, че те могат да станат резистентни дори към имунни серуми. Борде показа през 1895 г. как Vibrio cholerae може да се свикне с бактериолитичен серум. Редица автори са доказали способността да привикват аглутиниращите микроорганизми към факта, че престават да аглутинират. Обратно, неаглутиниращите микроорганизми могат да се превърнат в аглутиниращи микроорганизми, например чрез преминаване през тялото на животните и дори с прости субкултури от среда към среда. Възстановявайки своите морфологични и физиологични особености, микроорганизмите, в зависимост от почвата, върху която живеят, и в зависимост от други микроорганизми, които се размножават до нея, могат да придобият чертите, присъщи на съседа и да се превърнат в т. нар. „парамикроб“. Такъв микроорганизъм, както доказа Розеноу, може да придобие нови свойства, получени от него от съжителството с патогенен микроорганизъм, и да ги запази за дълго време по наследство. Така, например, стрептокок, изолиран от менингит, причинен от диплокока на Weichselbaum, придобива способността да дава менингит. Оказва се, като че ли, имитация на друг патоген. Тази имитация се изразява или в способността да се причинява същото заболяване, или в придобиването на нови антигенни свойства. И така, Протей, живеещ в тялото на пациент с коремен тиф, започва да аглутинира със серума на пациента, въпреки че не е причинителят на заболяването. От всички горепосочени факти става ясно колко важни са явленията на адаптация на микроорганизмите за патологията и епидемиологията.
Еволюция на бактериите и нейното медицинско значение. Микроорганизмите на Земята са възникнали около три милиарда години преди появата на човека. През 1822 г. Е. Дарвин предлага теорията за еволюцията, а 100 години по-късно руският биохимик А. Опарин (1920 г.) - теорията за произхода на биологичния живот. В тази система много важно място заемат бактериите. Първите самовъзпроизвеждащи се форми на биологичен живот (протобионти), заобиколени от мембрана, не са били способни на фотосинтеза и са получавали енергия чрез прости, едноетапни абиогенни окислителни реакции. Това продължи около 1,0 милиарда години. Енергията (електрохимична, термична, фотохимична), генерирана в тези реакции, се съхранява в определени молекули и се използва за извършване на примитивни процеси. Образуването на първични молекули и реакциите положиха основата на метаболитните процеси - анаболизъм и катаболизъм. Преходът от протоклетка към прокариотна клетка е станал в интервала от 2,5-3 милиарда години. В атмосферата на планетата нямаше кислород и основните прокариоти бяха анаероби. Автотрофният път на фиксиране на CO 2 е в основата на първичната производителност на планетата. Промяната от редуцираща атмосфера към кислородна се извършва между средния и късния докамбрий (преди 2,8 милиарда години). За сравнение, съдържанието на кислород в атмосферата на планетата преди 800 милиона години е било около 1%, преди 400 милиона години вече е било 10%, а сега е 21%. С промяната на състава на атмосферата започват да се образуват факултативни фототрофни и хетеротрофни анаероби, а по-късно се появяват и аеробни бактерии.
Бактериите са били не само първични акумулатори на гени, но и обект на тяхното еволюционно усъвършенстване. Еволюционната скорост е броят на мутациите на 100 аминокиселини на определена протеинова молекула за 100 милиона години. Тя варира в широки граници. Това е в основата на концепцията за молекулярния часовник, който декларира, че мутациите постепенно се натрупват в генома и образуват нова последователност за по-нататъшно разминаване на вида линейно с периода на еволюция. Диаграмата, показана на фиг.3. ви позволява да покажете еволюцията на определени групи бактерии и приблизително да установите еволюционното време, когато определен вид (род) се е отклонил от общ прародител.
Скоростта на еволюция е постоянна и зависи от много фактори – скоростта на метаболитните процеси, времето на генериране, информационните потоци и селективния натиск. Например, разминаването на рода Salmonella и рода Escherichia coli от общ прародител се е случило преди около 100-140 милиона години. Бактериалните геноми са еволюирали в продължение на повече от 50 милиарда поколения, натрупвайки мутации и придобивайки нова генетична информация чрез хоризонтален генен трансфер без значително пренареждане на гените на предците. През годината геномът на Salmonella придоби чужда генетична информация от приблизително 16 kb / милион. години, а Escherichia coli - 22 kb/млн. години. В момента техните геноми се различават с 25%. Значителна част от генома е придобита чрез хоризонтален трансфер. Като цяло бактериалният геном варира по размер от 0,6 до 9,4 Mb информация (средно от 3 до 5 Mb). Някои бактерии имат две хромозоми (Leptospira interrogans serovar icterohemorrahgiae, Brucellae melitensis). Прогресивната еволюция на бактериите протича в няколко взаимосвързани посоки – метаболитна, морфологична (структурно-молекулярна) и екологична. В природата има огромно разнообразие от микроорганизми, от които в момента са известни не повече от 5-7%, а бактериите, култивирани при изкуствени условия, съставляват около 1%. Това означава, че тепърва започваме да опознаваме света на микробите.
Стратегии за секвениране на генома. Всяка базова двойка на генома е един бит информация. Например, геномът на Haemophilus influenzae съдържа 1 830 137, а геномът на Escherichia coli съдържа 4 639 221 бита информация. Сравнителните аспекти на секвенирането на бактериалните геноми позволяват да се определи наличието на общи гени, регулаторни механизми, да се установят еволюционни вътрешно- и междувидови връзки и са в основата на структурната и еволюционната геномика. Нова наука, биоинформатика, се занимава с математически анализ на геномите на микроорганизмите. Предмет на изследване са последователностите от фрагменти или пълни геноми на бактерии с помощта на разработените компютърни програми и бази данни с информация за нуклеинови киселини и протеини.
Въз основа на анализа на структурата на геномите (секвениране) се формират 36-40 големи таксона (отделения). Членовете на всеки от тях имат общ предшественик, който на определен етап се е отклонил от друг таксон-предшественик. Някои от разделите включват повече видове познати бактерии от други. Това обикновено се отнася за тези, които са добре култивирани в лабораторията. Най-голям брой бактериални видове (от 40 до 80%) са описани сред таксоните на протеобактерии, актинобактерии, грам-положителни бактерии с ниско съдържание на G + C. В същото време в някои отдели култивираните представители на бактериите са неизвестни. Трябва да се отбележи, че от 36-40 деления на царството Бактерии, само представители на 7 големи таксона са способни да причиняват заболявания при хората. Специализацията и адаптацията на тези бактерии към животинския организъм е довела до образуването на генни блокове, които контролират факторите на патогенност (острови на патогенност). Те могат да бъдат локализирани в хромозомата, плазмидите и евентуално в бактериалните фаги. Установяването на посоката и реда на еволюция на микроорганизмите въз основа на променливостта на техните геноми е обещаваща област на молекулярната епидемиология.
Бактериите са най-старата група организми, съществуващи в момента на Земята. Първите бактерии се появиха вероятно преди повече от 3,5 милиарда години и в продължение на почти милиард години бяха единствените живи същества на нашата планета. Тъй като това са първите представители на живата природа, тялото им има примитивна структура.
С течение на времето структурата им става по-сложна, но и до днес бактериите се считат за най-примитивните едноклетъчни организми. Интересното е, че някои бактерии все още запазват примитивните черти на древните си предци. Това се наблюдава при бактерии, които живеят в горещи серни извори и аноксични тиня на дъното на резервоарите.
Повечето бактерии са безцветни. Само няколко са оцветени в лилаво или зелено. Но колониите на много бактерии имат ярък цвят, което се дължи на отделянето на оцветено вещество в околната среда или пигментацията на клетките.
Пионерът в света на бактериите е Антъни Левенхук, холандски натуралист от 17-ти век, който е първият, който създава перфектен микроскоп с лупа, който увеличава обектите 160-270 пъти.
Бактериите са класифицирани като прокариоти и са изолирани в отделно царство - Бактерии.
Форма на тялото
Бактериите са многобройни и разнообразни организми. Те се различават по форма.
| Име на бактерии | Форма на бактерии | Изображение на бактерии |
| Коки | Сферична | |
| бацил |  | Пръчковидна |
| вибрион | Запетая извита | |
| Спирилум |  | Спирала |
| Стрептококи |  | Коки верига |
| Стафилококи |  | Гроздове коки |
| Диплококи | Две кръгли бактерии, затворени в една лигава капсула |
Режими на движение
Сред бактериите има подвижни и неподвижни форми. Подвижните се движат поради вълнообразни контракции или с помощта на флагели (усукани спираловидни нишки), които се състоят от специален флагелинов протеин. Може да има един или няколко флагела. Те се намират при някои бактерии в единия край на клетката, при други – в два или по цялата повърхност.
Но движението е присъщо на много други бактерии, на които липсват флагели. И така, бактериите, покрити със слуз отвън, са способни да се плъзгат.
Някои водни и почвени бактерии, лишени от флагели, имат газови вакуоли в цитоплазмата. В една клетка може да има 40-60 вакуоли. Всеки от тях е пълен с газ (вероятно азот). Чрез регулиране на количеството газ във вакуолите водните бактерии могат да се потопят във водния стълб или да се издигнат на повърхността му, а почвените бактерии могат да се движат в почвените капиляри.
Среда на живот
Поради простотата на организация и непретенциозността, бактериите са широко разпространени в природата. Бактериите се намират навсякъде: в капка дори от най-чистата изворна вода, в зърна почва, във въздуха, върху скали, в полярни снегове, пустинни пясъци, на дъното на океана, в нефт, извлечен от големи дълбочини и дори в горещи извори с температура около 80°С. Те живеят върху растения, плодове, при различни животни и при хора в червата, устната кухина, по крайниците, по повърхността на тялото.
Бактериите са най-малките и многобройни живи същества. Поради малкия си размер те лесно проникват във всякакви пукнатини, пукнатини, пори. Те са много издръжливи и адаптирани към различни условия на съществуване. Те понасят изсушаване, силен студ, нагряване до 90 ° C, без да губят своята жизнеспособност.
Практически няма място на Земята, където да не се намират бактерии, но в различни количества. Условията на живот на бактериите са разнообразни. Един от тях се нуждае от кислород във въздуха, други не се нуждаят от него и са в състояние да живеят в среда без кислород.
Във въздуха: бактериите се издигат до 30 км в горните слоеве на атмосферата. и още.
Особено много от тях има в почвата. Една година почва може да съдържа стотици милиони бактерии.
Във вода: в повърхностните слоеве на водата в открити резервоари. Полезните водни бактерии минерализират органичните остатъци.
В живите организми: патогенните бактерии навлизат в тялото от външната среда, но само при благоприятни условия причиняват заболяване. Симбиотик живее в храносмилателните органи, като помага за разграждането и усвояването на храната и синтезира витамини.
Външна структура
Бактериалната клетка е облечена в специална плътна мембрана - клетъчната стена, която изпълнява защитни и поддържащи функции, а също така придава на бактериите постоянна характерна форма. Клетъчната стена на бактерията прилича на мембраната на растителна клетка. Той е пропусклив: чрез него хранителните вещества свободно преминават в клетката, а метаболитните продукти излизат в околната среда. Често бактериите развиват допълнителен защитен слой от слуз - капсула - върху клетъчната стена. Дебелината на капсулата може да бъде многократно по-голяма от диаметъра на самата клетка, но може да бъде много малка. Капсулата не е задължителна част от клетката, тя се образува в зависимост от условията, в които попадат бактериите. Той предотвратява изсушаването на бактериите.
На повърхността на някои бактерии има дълги жгутици (една, две или много) или къси тънки въси. Дължината на флагелата може да бъде многократно по-голяма от размерите на бактериалното тяло. С помощта на флагели и вили се движат бактериите.
Вътрешна структура
Вътре в бактериалната клетка има плътна, неподвижна цитоплазма. Той има слоеста структура, няма вакуоли, следователно различни протеини (ензими) и резервни хранителни вещества се намират в самото вещество на цитоплазмата. Бактериалните клетки нямат ядро. В централната част на клетките им е концентрирано вещество, което носи наследствена информация. Бактерии, - нуклеинова киселина - ДНК. Но това вещество не се образува в ядро.
Вътрешната организация на бактериалната клетка е сложна и има свои специфични особености. Цитоплазмата е отделена от клетъчната стена чрез цитоплазмената мембрана. В цитоплазмата се разграничават основно вещество или матрица, рибозоми и малък брой мембранни структури, които изпълняват различни функции (аналози на митохондриите, ендоплазмения ретикулум, апарата на Голджи). Цитоплазмата на бактериалните клетки често съдържа гранули с различни форми и размери. Гранулите могат да бъдат съставени от съединения, които служат като източник на енергия и въглерод. В бактериалната клетка се намират и мастни капчици.
В централната част на клетката е локализирано ядрено вещество - ДНК, неограничено от цитоплазмата с мембрана. Това е аналог на ядрото - нуклеоид. Нуклеоидът няма мембрана, ядро и набор от хромозоми.
Хранене
Бактериите имат различни начини на хранене. Сред тях са автотрофи и хетеротрофи. Автотрофите са организми, които могат самостоятелно да образуват органична материя за своето хранене.
Растенията се нуждаят от азот, но самите те не могат да усвоят азота от въздуха. Някои бактерии комбинират азотни молекули във въздуха с други молекули, за да направят вещества достъпни за растенията.
Тези бактерии се настаняват в клетките на младите корени, което води до удебеляване, наречено възли по корените. Такива възли се образуват върху корените на растенията от семейство бобови и някои други растения.
Корените осигуряват на бактериите въглехидрати, а бактериите осигуряват на корените азотсъдържащи вещества, които могат да бъдат усвоени от растението. Съжителството им е взаимно изгодно.
Корените на растенията отделят много органични вещества (захари, аминокиселини и други), с които се хранят бактериите. Поради това в почвения слой около корените се установяват особено голям брой бактерии. Тези бактерии превръщат мъртвите растителни остатъци в вещества, достъпни за растението. Този слой почва се нарича ризосфера.
Има няколко хипотези за проникването на нодулни бактерии в кореновата тъкан:
- чрез увреждане на епидермалната и коровата тъкан;
- през коренови косми;
- само през младата клетъчна мембрана;
- благодарение на сателитни бактерии, които произвеждат пектинолитични ензими;
- чрез стимулиране на синтеза на В-индолоцетна киселина от триптофан, който винаги присъства в кореновите секрети на растенията.
Процесът на въвеждане на нодулни бактерии в кореновата тъкан се състои от две фази:
- инфекция на кореновата коса;
- процес на образуване на възли.
В повечето случаи нахлулата клетка активно се размножава, образува така наречените инфекциозни нишки и вече под формата на такива нишки се придвижва в растителната тъкан. Нодулните бактерии, освободени от нишката на инфекцията, продължават да се размножават в тъканта на гостоприемника.
Растителните клетки, пълни с бързо размножаващи се клетки на нодулни бактерии, започват бързо да се делят. Свързването на млад възел с корена на бобово растение се осъществява благодарение на съдово-влакнести снопове. През периода на функциониране възлите обикновено са плътни. До момента на проява на оптимална активност възлите придобиват розов цвят (поради пигмента легхемоглобин). Само тези бактерии, които съдържат легхемоглобин, са способни да фиксират азот.
Нодулните бактерии създават десетки и стотици килограми азотни торове на хектар почва.
Метаболизъм
Бактериите се различават една от друга по своя метаболизъм. При някои върви с участието на кислород, в други - без негово участие.
Повечето бактерии се хранят с готови органични вещества. Само няколко от тях (синьо-зелени или цианобактерии) са способни да създават органични вещества от неорганични. Те изиграха важна роля в натрупването на кислород в земната атмосфера.
Бактериите поглъщат вещества отвън, разкъсват молекулите си, от тези части събират черупката си и попълват съдържанието си (така растат), а ненужните молекули се изхвърлят навън. Обвивката и мембраната на бактерията й позволяват да абсорбира само необходимите вещества.
Ако обвивката и мембраната на бактериите бяха напълно непроницаеми, никакви вещества не биха навлезли в клетката. Ако бяха пропускливи за всички вещества, съдържанието на клетката би се смесило с околната среда – разтвора, в който живее бактерията. За оцеляването на бактериите е необходима обвивка, която позволява преминаването на необходимите вещества, но не и на ненужните.
Бактерията абсорбира хранителни вещества в близост до нея. Какво се случва след това? Ако може да се движи самостоятелно (чрез преместване на флагела или избутване на слуз назад), тогава се движи, докато намери необходимите вещества.
Ако не може да се движи, тогава изчаква, докато дифузията (способността на молекулите на едно вещество да проникват в средата на молекулите на друго вещество) донесе необходимите молекули до него.
Бактериите, заедно с други групи микроорганизми, извършват огромно количество химическа работа. Преобразувайки различни съединения, те получават енергията и хранителните вещества, необходими за живота им. Метаболитните процеси, методите за получаване на енергия и необходимостта от материали за изграждане на вещества в телата им са разнообразни при бактериите.
Други бактерии удовлетворяват всички изисквания за въглерод, необходим за синтеза на органични вещества в организма, за сметка на неорганичните съединения. Те се наричат автотрофи. Автотрофните бактерии са способни да синтезират органични вещества от неорганични. Сред тях се отличават:
Хемосинтеза
Използването на лъчиста енергия е най-важният, но не единственият начин за създаване на органична материя от въглероден диоксид и вода. Известно е, че бактериите използват не слънчевата светлина като източник на енергия за такъв синтез, а енергията на химичните връзки, възникващи в клетките на организмите при окисляването на определени неорганични съединения - сероводород, сяра, амоняк, водород, азотна киселина, железни съединения на желязо и манган. Те използват органичната материя, образувана с използването на тази химическа енергия, за да изградят клетките на тялото си. Следователно този процес се нарича хемосинтеза.
Най-важната група хемосинтетични микроорганизми се състои от нитрифициращи бактерии. Тези бактерии живеят в почвата и извършват окисляването на амоняка, образуван при разпадането на органичните остатъци до азотна киселина. Последният, реагирайки с минералните съединения на почвата, се превръща в соли на азотна киселина. Този процес протича в две фази.
Железните бактерии превръщат желязото в оксид. Образуваният железен хидроксид се утаява и образува така наречената блатна желязна руда.
Някои микроорганизми съществуват чрез окисляване на молекулния водород, като по този начин осигуряват автотрофен начин на хранене.
Характерна особеност на водородните бактерии е способността да преминават към хетеротрофен начин на живот, когато са снабдени с органични съединения и при липса на водород.
По този начин хемоавтотрофите са типични автотрофи, тъй като те самостоятелно синтезират необходимите органични съединения от неорганични вещества и не ги вземат готови от други организми, като хетеротрофите. Хемоавтотрофните бактерии се различават от фототрофните растения по своята пълна независимост от светлината като източник на енергия.
Бактериална фотосинтеза
Някои пигмент-съдържащи серни бактерии (лилаво, зелено), съдържащи специфични пигменти - бактериохлорофили, са способни да усвояват слънчевата енергия, с помощта на която сероводородът в техните организми се разгражда и освобождава водородни атоми за възстановяване на съответните съединения. Този процес има много общо с фотосинтезата и се различава само по това, че при лилавите и зелените бактерии сероводородът е донор на водород (понякога на карбоксилни киселини), а при зелените растения това е вода. В тези и други елиминирането и прехвърлянето на водорода се осъществява благодарение на енергията на погълнатите слънчеви лъчи.
Тази бактериална фотосинтеза, която протича без отделяне на кислород, се нарича фоторедукция. Фоторедукцията на въглероден диоксид е свързана с прехвърлянето на водород не от вода, а от сероводород:
6СО 2 + 12Н 2 S + hv → С6Н 12 О 6 + 12S = 6Н 2 О
Биологичното значение на хемосинтезата и бактериалната фотосинтеза в планетарен мащаб е сравнително малко. Само хемосинтетичните бактерии играят съществена роля в цикъла на сярата в природата. Усвоена от зелените растения под формата на соли на сярна киселина, сярата се редуцира и е част от протеиновите молекули. Освен това, когато мъртвите растителни и животински остатъци се унищожават от гнилостни бактерии, сярата се освобождава под формата на сероводород, който се окислява от серни бактерии до свободна сяра (или сярна киселина), която образува налични за растението сулфити в почвата. Химио- и фотоавтотрофните бактерии са от съществено значение в цикъла на азота и сярата.
Образуване на спори
Вътре в бактериалната клетка се образуват спори. В процеса на спорообразуване бактериалната клетка преминава през редица биохимични процеси. Количеството свободна вода в него намалява, ензимната активност намалява. Това гарантира устойчивостта на спорите към неблагоприятни условия на околната среда (висока температура, висока концентрация на сол, изсушаване и др.). Спорообразуването е характерно само за малка група бактерии.
Спорите са незадължителни в жизнения цикъл на бактериите. Образуването на спори започва само при липса на хранителни вещества или натрупване на метаболитни продукти. Бактериите под формата на спори могат да бъдат в латентно състояние за дълго време. Бактериалните спори могат да издържат на продължително кипене и много дълго замразяване. С настъпването на благоприятни условия спората покълва и става жизнеспособна. Бактериалната спора е адаптация за оцеляване при неблагоприятни условия.
Възпроизвеждане
Бактериите се размножават чрез разделяне на една клетка на две. Достигайки определен размер, бактерията се разделя на две еднакви бактерии. Тогава всеки от тях започва да се храни, расте, дели и т.н.
След удължаване на клетката постепенно се образува напречна преграда и след това дъщерните клетки се разминават; при много бактерии при определени условия клетките след разделяне остават свързани в характерни групи. В този случай, в зависимост от посоката на равнината на разделяне и броя на деленията, възникват различни форми. Размножаването чрез пъпкуване се случва при бактерии като изключение.
При благоприятни условия клетъчното делене при много бактерии става на всеки 20-30 минути. При такова бързо размножаване потомството на една бактерия за 5 дни е в състояние да образува маса, която може да изпълни всички морета и океани. Едно просто изчисление показва, че за един ден могат да се образуват 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клетки). Ако се преведе в тегло - 4720 тона. Това обаче не се случва в природата, тъй като повечето бактерии бързо умират под въздействието на слънчева светлина, по време на сушене, липса на храна, нагряване до 65-100 ° C, в резултат на борбата между видовете и др.
Бактерията (1), която е усвоила достатъчно храна, се увеличава по размер (2) и започва да се подготвя за възпроизвеждане (клетъчно делене). Неговата ДНК (при бактериите ДНК молекулата е затворена в пръстен) се удвоява (бактерията произвежда копие на тази молекула). И двете ДНК молекули (3,4) се оказват прикрепени към стената на бактерията и, когато бактериите се удължат, се разминават встрани (5,6). Първо се разделя нуклеотидът, след това цитоплазмата.
След разминаването на две ДНК молекули, върху бактериите се появява стеснение, което постепенно разделя тялото на бактерията на две части, всяка от които съдържа ДНК молекула (7).
Случва се (в случай на сенен бацил), две бактерии се слепват и между тях се образува мост (1,2).
Чрез моста ДНК се транспортира от една бактерия към друга (3). Веднъж попаднали в една бактерия, ДНК молекулите се преплитат, слепват се на някои места (4), след което обменят участъци (5).
Ролята на бактериите в природата
Цикълът
Бактериите са най-важното звено в общата циркулация на веществата в природата. Растенията създават сложни органични вещества от въглероден диоксид, вода и минерални соли на почвата. Тези вещества се връщат в почвата с мъртви гъби, растения и животински трупове. Бактериите разграждат сложните вещества до прости, които отново се използват от растенията.
Бактериите унищожават сложни органични вещества от мъртви растения и животински трупове, екскреции на живи организми и различни отпадъчни продукти. Хранейки се с тези органични вещества, сапрофитните гниещи бактерии ги превръщат в хумус. Това са един вид санитари на нашата планета. По този начин бактериите участват активно в кръговрата на веществата в природата.
Образуване на почвата
Тъй като бактериите са широко разпространени почти навсякъде и се срещат в огромни количества, те до голяма степен определят различните процеси, протичащи в природата. През есента листата на дърветата и храстите падат, въздушните издънки на тревите умират, старите клони падат, от време на време падат стволовете на старите дървета. Всичко това постепенно се превръща в хумус. В 1 см 3. Повърхностният слой на горската почва съдържа стотици милиони сапрофитни почвени бактерии от няколко вида. Тези бактерии превръщат хумуса в различни минерали, които могат да се абсорбират от почвата от корените на растенията.
Някои почвени бактерии са в състояние да абсорбират азот от въздуха, като го използват в жизнените процеси. Тези азотфиксиращи бактерии живеят самостоятелно или се заселват в корените на бобовите растения. Прониквайки в корените на бобовите растения, тези бактерии причиняват растежа на кореновите клетки и образуването на възли върху тях.
Тези бактерии отделят азотни съединения, които растенията използват. Бактериите получават въглехидрати и минерални соли от растенията. По този начин съществува тясна връзка между бобовото растение и нодулните бактерии, което е полезно както за единия, така и за другия организъм. Това явление се нарича симбиоза.
Благодарение на симбиозата си с нодулни бактерии, бобовите растения обогатяват почвата с азот, като спомагат за увеличаване на добива.
Разпространение в природата
Микроорганизмите са повсеместни. Единствените изключения са кратери от активни вулкани и малки участъци в епицентрите на взривени атомни бомби. Нито ниските температури на Антарктида, нито кипящите струи на гейзерите, нито наситените разтвори на соли в солените басейни, нито силната изолация на планинските върхове, нито силното облъчване на ядрени реактори не пречат на съществуването и развитието на микрофлората. Всички живи същества постоянно взаимодействат с микроорганизми, като често са не само техни хранилища, но и разпространители. Микроорганизмите са аборигените на нашата планета, активно усвояващи най-невероятните естествени субстрати.
Микрофлора на почвата
Броят на бактериите в почвата е изключително голям – стотици милиони и милиарди индивиди на грам. В почвата има много повече от тях, отколкото във водата и въздуха. Общият брой на бактериите в почвите варира. Броят на бактериите зависи от вида на почвата, тяхното състояние, дълбочината на слоевете.
На повърхността на почвените частици микроорганизмите са разположени в малки микроколонии (20-100 клетки във всяка). Те често се развиват в дебели съсиреци от органична материя, върху живи и умиращи корени на растения, в тънки капиляри и вътрешни бучки.
Микрофлората на почвата е много разнообразна. Има различни физиологични групи бактерии: гниещи бактерии, нитрифициращи, азотфиксиращи, серни бактерии и др. Сред тях има аероби и анаероби, спорови и неспорови форми. Микрофлората е един от факторите за образуване на почвата.
Зоната на развитие на микроорганизми в почвата е зоната в непосредствена близост до корените на живите растения. Тя се нарича ризосфера, а съвкупността от микроорганизми, съдържащи се в нея, се нарича ризосферна микрофлора.
Микрофлора на резервоарите
Водата е естествена среда, в която микроорганизмите растат в голям брой. Повечето от тях навлизат във водата от почвата. Фактор, който определя броя на бактериите във водата, наличието на хранителни вещества в нея. Най-чисти са артезианските кладенци и изворните води. Отворените резервоари и реки са много богати на бактерии. Най-голям брой бактерии се намират в повърхностните слоеве на водата, по-близо до брега. С увеличаване на разстоянието от брега и увеличаване на дълбочината, броят на бактериите намалява.
Чистата вода съдържа 100-200 бактерии в 1 мл., а замърсената вода - 100-300 хиляди и повече. В долната утайка има много бактерии, особено в повърхностния слой, където бактериите образуват филм. Този филм съдържа много сярни и железни бактерии, които окисляват сероводорода до сярна киселина и по този начин предотвратяват умъртвяването на рибите. Тинята съдържа повече спороносни форми, докато неспороносните форми преобладават във водата.
По видовия състав водната микрофлора е подобна на тази на почвата, но има и специфични форми. Унищожавайки различни отпадъци, попаднали във водата, микроорганизмите постепенно извършват така нареченото биологично пречистване на водата.
Микрофлора на въздуха
Микрофлората на въздуха е по-малко изобилна от микрофлората на почвата и водата. Бактериите се издигат във въздуха с прах, могат да останат там известно време и след това да се установят на повърхността на земята и да умрат от липса на хранене или под въздействието на ултравиолетовите лъчи. Броят на микроорганизмите във въздуха зависи от географската зона, терена, сезона, замърсяването с прах и т.н. всяка прашинка е носител на микроорганизми. Повечето бактерии са във въздуха над промишлени предприятия. Въздухът в провинцията е по-чист. Най-чистият въздух над гори, планини, заснежени пространства. Горните слоеве на въздуха съдържат по-малко микроби. Микрофлората на въздуха съдържа много пигментирани и спороносни бактерии, които са по-устойчиви от другите на ултравиолетовите лъчи.
Микрофлора на човешкото тяло
Човешкото тяло, дори напълно здраво, винаги е носител на микрофлора. Когато тялото на човек влезе в контакт с въздуха и почвата, върху дрехите и кожата се заселват различни микроорганизми, включително патогени (тетанусни пръчици, газова гангрена и др.). Най-често откритите части на човешкото тяло са замърсени. По ръцете се намират ешерихия коли, стафилококи. В устната кухина има над 100 вида микроби. Устата със своята температура, влажност, остатъци от хранителни вещества е отлична среда за развитие на микроорганизми.
Стомахът има кисела реакция, така че по-голямата част от микроорганизмите в него умира. Започвайки от тънките черва, реакцията става алкална, т.е. приятелски настроен към микробите. В дебелото черво микрофлората е много разнообразна. Всеки възрастен отделя около 18 милиарда бактерии всеки ден, т.е. повече хора, отколкото хора по земното кълбо.
Вътрешните органи, които не се свързват с външната среда (мозък, сърце, черен дроб, пикочен мехур и др.), обикновено са свободни от микроби. Микробите влизат в тези органи само по време на заболяване.
Бактерии в цикъла
Микроорганизмите като цяло и бактериите в частност играят важна роля в биологично важните цикли на вещества на Земята, извършвайки химически трансформации, които са напълно недостъпни нито за растенията, нито за животните. Различните етапи от цикъла на елементите се осъществяват от организми от различен тип. Съществуването на всяка отделна група организми зависи от химическата трансформация на елементите, извършена от други групи.
Азотният цикъл
Цикличната трансформация на азотните съединения играе основна роля в доставянето на необходимите форми на азот за организмите от биосферата за различни хранителни нужди. Над 90% от общата азотфиксация се дължи на метаболитната активност на определени бактерии.
Въглеродният цикъл
Биологичната трансформация на органичния въглерод във въглероден диоксид, придружена от редукция на молекулния кислород, изисква съвместната метаболитна активност на различни микроорганизми. Много аеробни бактерии извършват пълно окисление на органичната материя. При аеробни условия органичните съединения първоначално се разграждат чрез ферментация, а органичните крайни продукти от ферментацията се окисляват допълнително в резултат на анаеробно дишане, ако има неорганични акцептори на водород (нитрати, сулфати или CO 2).
Цикълът на сярата
Сярата е достъпна за живите организми главно под формата на разтворими сулфати или редуцирани органични серни съединения.
Цикъл на желязо
Някои сладководни водни басейни съдържат редуцирани железни соли във високи концентрации. На такива места се развива специфична бактериална микрофлора – железни бактерии, които окисляват редуцираното желязо. Те участват в образуването на блатни железни руди и водоизточници, богати на железни соли.
Бактериите са най-древните организми, появили се преди около 3,5 милиарда години в археите. В продължение на около 2,5 милиарда години те доминираха над Земята, образувайки биосферата, участваха в образуването на кислородна атмосфера.
Бактериите са едни от най-простите живи организми (различни от вирусите). Смята се, че те са първите организми, появили се на Земята.
Екипът на Ричард Ленски, еволюционен микробиолог, известен със своя дългосрочен еволюционен експеримент, изследва генетичните различия (натрупани мутации) между популации от бактерии, които над 2000 поколения са се адаптирали към пет различни температури. Въпреки разнообразието от възможни начини за адаптация, повечето от мутациите се оказаха специфични, тоест възникнаха в тези и само онези популации, които се развиваха при еднакви или при сходни температурни условия. Въпреки това, повечето от тези мутации по-късно се закрепиха в продължаващ дългосрочен еволюционен експеримент. Очевидно при различни температури различните мутации се оказват по-полезни от други (но рядко от полезни стават вредни) - и естественият подбор работи именно с тези разлики в относителната полезност, фиксирайки по-ранни мутации, които се оказаха по-благоприятни при тези условия.
Елементите многократно говореха за работата на лабораторията на Ричард Ленски, която от десетилетия експериментира с еволюцията на бактериите. Тези проучвания не само дават възможност да се разберат по-добре моделите на адаптиране на тези микроорганизми към околната среда (което може да е от практическо значение, вземете поне антибиотична резистентност), но също така дават възможност да се видят от първа ръка нетривиалните еволюционни процеси и техните резултати, което е важно за фундаменталната наука (вж. Ранните етапи на адаптация са предвидими, по-късните са произволни, "Елементи", 03.03.2015 г.; В дългосрочен еволюционен експеримент беше разкрит подбор за "еволюционни перспективи", „Елементи“, 25.03.2011 г.; Резултатите от еволюционен експеримент с дължина 40 000 поколения, „Елементи“, 01.11.2009 г.).
Но в допълнение към добре познатия дългосрочен еволюционен експеримент (DEE) (вж. Е. coliДългосрочен експериментален проект за еволюция), който в момента продължава 50 000 поколения, екипът на Ричард Ленски провежда и по-краткосрочни проучвания, които представляват „оформления“ на основния експеримент.
В нова работа изследователите изследват генетичната основа на адаптацията на E. coli Ешерихия колидо различни температури за 2000 поколения в няколко десетки реда. В тази ситуация може да се очаква както дивергенция, дължаща се на стохастични процеси - появата на мутации и генетичен дрейф (виж Генетичен дрейф) - така и паралелна еволюция, когато различни линии ще придобият подобни адаптации в една и съща среда. Поне за сложни животни, при които индивидуалното развитие значително усложнява пътя от генотип към фенотип, тези два варианта не си противоречат непременно: една и съща адаптация може да се случи на различна генетична основа. Това множество от допустими резултати (подчертаваме, че всеки от тях се оказва възможен) се свързва с дълго интригуващия въпрос за предсказуемостта на еволюцията за учените - или по-скоро въпросът е на какво ниво можем да предвидим как дадена популация ще се адаптира към променената по един или друг начин среда (виж DL Stern, V. Orgogozo, 2009. Предсказуема ли е генетичната еволюция?).
В експеримента 30 отделни линии на Escherichia coli, взети от дългосрочен експеримент, развиват над 2000 поколения при пет различни температурни условия, по шест линии всяка. Някои от бактериите са отглеждани при оптимални 37°C (нека ви напомня, че нормално тези бактерии обитават червата на топлокръвни животни) и "толерантни" 32°C, а някои - при екстремни студове (20°C) и топлина (42 ° C), разположени на долната и горната граница на зоната на толерантност (вж. Реакцията на тялото към промените в факторите на околната среда). В допълнение, друг режим включваше редуване на умерени и екстремни условия - температурата варираше между 32 ° C и 42 ° C. Подробна диаграма на експеримента е показана на фиг. 2А.
Всички бактериални популации увеличиха скоростта си на растеж по време на експеримента, тоест адаптивността им към околната среда се увеличи. Освен това обикновено еволюиралите бактерии се оказват по-успешни от предците не само в средата, в която са отгледани, но и върху други. Но това не винаги се случваше - например популациите от 20, 32 и 37-градусова среда при 42 ° C ставаха по-зле от своите предци. Тези резултати обаче са публикувани отдавна (виж A. F. Bennett, R. E. Lenski, J. E. Mittler, 1992. Еволюционна адаптация към температурата. I. Fitness responses на Ешерихия колидо промени в неговата топлинна среда; J. A. Mongold, A. F. Bennett, R. E. Lenski, 1996. Еволюционна адаптация към температурата. IV. Адаптиране на Ешерихия колина граница на ниша). И в неотдавнашна работа авторите разбраха генетичните „вътре и изходи“ на температурните адаптации. За да направят това, те напълно секвенираха ДНК от представители на всяка популация от последното, 2000-то поколение.
Общо през целия период на експеримента всички изследвани линии са натрупали 159 мутации (припомнете си, че експериментът използва популацията Е. коли,възпроизвеждайки асексуално, следователно, еволюционните процеси се изучават чрез натрупване на мутации), докато всяка отделна линия е натрупала от две до осем мутации - интересно е, че само една от тези "екстремни" популации расте не при оптималните 37 градуса, а при "умерени „32 НС. Но средно броят на мутациите, натрупани от 37-градусови бактерии, е значително по-малък от този на всички останали (но само ако ги разгледаме всички заедно; при двойно сравнение на експериментални варианти се оказват разликите в броя на натрупаните мутации да е незначително - вероятно поради малкия брой популации във всяка от опциите за опит). Подобни резултати са съвсем очаквани – в края на краищата бактериите се развиват при оптималната си температура, при която освен това общите предци на експерименталните линии се развиват още 2000 поколения (фиг. 2А). По този начин бактериите вече са били много адаптирани към тези условия и върху тях се е въздействало чрез прочистваща селекция - премахване на мутации, които унищожават съществуващите адаптации - вместо движеща такава, водеща до образуването на нови адаптации. Откритите мутации са от различен тип: те са синонимни и несинонимни нуклеотидни замествания (вижте Мутации: нуклеотидни замествания: типове), делеции (загуба на ДНК участъци) и т.н. Тяхното разпределение по тип и отделни популации е показано на Фигура 2В. Три от откритите мутации могат да доведат до хипермутативност - повишена честота на мутации. Такива мутации често се получават при еволюционни експерименти върху бактерии, тъй като те увеличават шансовете за възникване на благоприятни мутации. В този случай обаче популациите, носещи потенциални мутаторни гени, не показват значително превишаване на броя на получените мутации над очаквания.
След това учените оценяват сходството на мутациите, които се появяват в различни популации, като изчисляват коефициента на сходство на Dyes, известен също като коефициент на Sørensen (S = 2 (X∩Y) / (X + Y), където X и Y са броят на мутирали гени в първата и втората сравнявана група, а X∩Y е броят на гените, мутирали и в двете групи). В този случай бяха взети предвид само онези мутации, които биха могли да бъдат точно приписани на специфичен ген (например, всички големи делеции не бяха взети предвид). Първо, коефициентът на сходство за популациите във всеки вариант на експеримента се оказа значително по-висок, отколкото между различните варианти: 0,168 срещу 0,042. В този случай само разликата между линията, култивирана при 42°C и култивирана при променлива температура, се оказва статистически незначима (фиг. 3А). Второ, беше възможно да се идентифицират специфични мутации, които се срещат значително по-често (и понякога са като цяло уникални) за определен температурен режим. Общо те бяха четири - само променливият температурен режим нямаше специфичен ген (фиг. 3В).
Но очевидно адаптациите не се ограничават до тези четири мутации. Тъй като някои от другите мутирали гени също показват склонност към агрегиране в един от вариантите на експеримента. Интересното е, че всички гени, "специфични" и заподозрени за това, принадлежат към няколко функционални групи: те влияят върху размера и формата на клетките ( mrdA, hslU), регулират метаболитните пътища, свързани с преработката на хранителните вещества ( nadR, iclR) и променят активността на метаболитния ензим ( gltB) (виж Фиг.3В). Също така сред "студените" популации има тенденция към мутиране на гени, свързани с транскрипцията и транслацията. По този начин имаме пред нас типичен пример за сложна адаптация, включваща различни механизми - и следователно потенциално многовариантна. За щастие, съвременните молекулярно-генетични методи позволяват да се изолират отделни гени и черти, участващи в адаптацията към определен фактор на околната среда, въпреки че преди няколко десетилетия почти всички еволюционисти вярваха, че е невъзможно да се разплете тази плетеница и точните механизми на такива сложни адаптации бяха неузнаваеми.... Всъщност тогава може да се каже само нещо от рода на: „Много гени участват в отговора на селекцията, всяка популация има своя собствена“. Сега можем да кажем кои са гените. И се оказва, че поне в някои случаи този набор от гени, участващи в адаптацията, се оказва възпроизводим.
Интересни резултати бяха получени чрез сравняване на описания експеримент с текущия дългосрочен еволюционен експеримент. Оказа се, че бактериите от DEE натрупват мутации в същите гени с течение на времето като тези, които се адаптират към различни температури! От една страна, те трябва да се адаптират не само към температурата - например няма достатъчно глюкоза в средата на двата експеримента. От друга страна, къде е спецификата на адаптациите тук? Да, линията, култивирана при 37°С, показва най-голямо сходство с DEE, протичаща при същата температура, но останалите придобиват мутации, които впоследствие се оказват полезни при други температури (фиг. 4).
Авторите обясняват този парадокс с факта, че различните температурни режими променят относителната стойност на различните мутации, но рядко правят полезна мутация вредна - например, мутация, фиксирана в "студени" линии, е по-благоприятна при ниски температури, отколкото при оптимални условия, което увеличава шансовете му за по-ранно фиксиране. Това се подкрепя и от директна оценка на адаптивната стойност на отделните мутации. Изследователите ги вмъкнали в генома на предците на бактериите и разгледали как се чувстват тези модифицирани организми при различни температури. Нито една от мутациите не показва значителни разлики в положителния ефект върху скоростта на растеж при различни температурни режими, въпреки че сравненията по двойки показват слаба тенденция мутацията да бъде по-благоприятна във варианта на експеримента, където е възникнала. Това потвърждава интерпретацията на авторите: с промяна на температурата всички фиксирани мутации остават благоприятни, но относителната им полезност се променя и естественият подбор работи с тях: мутациите, които се оказаха по-благоприятни при тези условия, се фиксират по-рано.
Това изследване ни позволява още веднъж да подчертаем, че еволюцията може да се случи за сметка на привидно слаби, фини различия. Не наличието на ефективни и неефективни начини, а малките разлики в ефективността на определени адаптации при различни температури променят вероятността за тяхното фиксиране чрез естествен подбор, което води до различни пътища на еволюция.
В края на статията авторите подчертават, че предвид широката гама от възможности за адаптация, техните резултати показват неочаквано висока предсказуемост на еволюцията. И те предполагат, че наличието на такива специфични следи от адаптация към специфични условия на околната среда може да помогне например при дешифрирането на еволюционната история на патогенните микроби, проследяване на историята на прехода между различни видове или дори отделни гостоприемници (което ще помогне за проследяване на динамиката на заболяванията), както и в съдебната микробиология, което помага за изясняване на обстоятелствата на смъртта или историята на движенията на отделни обекти (виж RE Lenski, P. Keim, 2005).
Въпросът за промяната на природата на организмите под влияние на условията на живот е повдигнат от дълго време.
Но, както посочва Тимирязев, едва във Философията на зоологията на Ламарк (1809 г.) въпросът за произхода на организмите за първи път е изяснен не мимоходом, а с цялата необходима широта на обхват и напълно въоръжен с научни познания от онова време. .
Ламарк придава огромно значение на външните условия и упражненията за промяна на формата и организацията на животните. Обяснявайки целесъобразността на тяхната структура, той отрежда значителна роля на „вътрешните чувства“ и „стремежи“ на животните. Ожесточената критика на тази разпоредба доведе по едно време до неразумно очерняване на цялото учение на Ламарк.
Нашият велик учен Мечников високо оцени възгледите на Ламарк. В известната си работа "Очерк на произхода на видовете" той нарича теорията на Ламарк забележителна.
Мечников смята, че науката до началото на 20 век. доказа наследствеността на придобитите от организма свойства: „Възгледът, изразен от него (т.е. Ламарк) за важността на приспособяването на животните към условията на околната среда и за ролята на наследствеността при предаването на придобитите признаци е напълно признат днес.“ В известния си труд „Исторически метод в биологията“ Тимирязев пише: „Дълбоко новаторските мисли, щедро разпръснати по страниците на „Философия на зоологията“, останаха затъмнени от неуспешния опит да се обясни целесъобразността на структурата на животинските организми и споделиха съдбата му. . Ние умишлено наблягаме на думите „животински организми“, тъй като по отношение на растението тази теория за „стремежи“, „вътрешни чувства“, които генерират съответния орган, разбира се, не намери приложение и тук Ламарк остана строг учен, който не напусна почвата на наблюдаваните факти."
Най-големият етап в науката за развитието на органичния свят е появата на еволюционната доктрина на Дарвин, която даде правилната основа на теорията за развитието на растенията и животните. Дарвин материалистично обяснява така наречената целесъобразност на подредбата на формите и поведението на растенията и животните, която се среща на всяка стъпка. Дарвин приписва голямо значение за формирането на формите на животинското и растителното царство на естествения и изкуствен подбор.
Както отбелязва Тимирязев, Дарвин тълкува понятието естествен подбор широко – метафорично. Тази позиция трябва да се подчертае, тъй като по-късно някои изследователи, които споделят концепцията за формални генетици, се опитват да заменят дарвинистката концепция за творчески подбор с позиция, която свежда селекцията до ролята на сито.
Междувременно подборът в разбирането на Дарвин е подбор на живи организми, които продължават да живеят и се променят, като правило, в посоката, в която са започнали. Дарвин е посочвал повече от веднъж, че променливостта върви в посока на селекция. „Без селекция и подходяща поддръжка никога нямаше да се появят тези породи животни и растителни сортове, които са създадени чрез земеделска практика.
Следователно естественият и изкуственият подбор трябва да се разглеждат като създатели, създатели на нови форми на живи същества. Тази гледна точка е възприета от съветските биолози.
Еволюционната доктрина не може да бъде разработена от Дарвин във всички детайли. И така, той по същество не анализира причините, пораждащи промени в природата на живите същества, въпреки че посочи голямата роля на условията на околната среда за появата им. Към края на живота си Дарвин пише: „Все пак съм... убеден, че променените условия дават тласък на променливостта...“.
Дарвин оцени работата на Ламарк. В тази връзка Енгелс пише: „Нито Дарвин, нито неговите последователи сред естествоучените се замислят как по някакъв начин да омаловажават големите заслуги на Ламарк: в края на краищата именно Дарвин и неговите последователи бяха първите, които отново го издигнаха до щита "
Говорейки за недостатъците на Дарвиновото учение, Енгелс отбелязва: „Но дарвинизмът“ произвежда своите трансформации и различия от нищото. Всъщност, когато Дарвин говори за естествения подбор, той отклонява вниманието от причините, които са причинили промени в отделните индивиди, и разглежда преди всичко как такива индивидуални отклонения постепенно се превръщат в признаци на определена раса, сорт или вид... Въпреки това, тласъкът Изучаването на въпроса откъде всъщност произлизат тези трансформации и различия беше отново дадено от не друг, а от Дарвин.
Мичурин и Лисенко, които творчески развиват дарвинизма, запълват празнината, току-що посочена в учението на Дарвин, отбелязвайки адаптивния характер на промяната в организмите.
Такива изключителни руски учени като В. Ковалевски, Тимирязев и Павлов бяха склонни към това мнение, признавайки прякото влияние на условията на съществуване на организмите върху тяхната наследствена природа.
Тимирязев пише, че самата наследственост в крайна сметка е придобито свойство и единственият въпрос е кога точно настъпват тези или онези промени, „целесъобразността на органичните форми може да се обясни само с историческия процес на тяхното формиране“.
Мичурин казва: „Всеки орган, всяко свойство, всеки член, всички вътрешни и външни части на всеки организъм са обусловени от външната среда на неговото съществуване. Ако организацията на растенията е такава, каквато е, то е, защото всеки неин детайл изпълнява определена функция, възможна и необходима само при дадени условия. Ако тези условия се променят, функцията ще стане невъзможна или ненужна и органът, който я изпълнява, постепенно ще атрофира."
Лисенко направи много в областта на анализа на причините, които определят наследствеността и нейната вариабилност. Наследствеността е като че ли концентрат от условията на околната среда, усвоени от растителните организми в редица предишни поколения “, пише Лисенко. „Промяната в наследствеността обикновено е резултат от развитието на организъм във външна среда, която в една или друга степен не отговаря на естествените нужди, тоест на неговата наследственост. Промените в условията на живот принуждават развитието на растителните организми да се променя. Те са основната причина за промяната в наследствеността.
Авакян (1948) посочва:
„Ако е необходимо да се променят определени етапи от развитието на един организъм, е необходимо да се променят условията за завършване на процеса на този етап, като се предоставят на процеса тези условия, в чиято посока се цели да се промени наследственост на потомството на този организъм.
От фактите, донесени до тази система от възгледи, основното положение в учението на акад. Т. Д. Лисенко, че промяната в наследствеността на организма винаги протича адекватно (съответно) на влиянието на външни фактори, причиняващи промяната. По своя характер промените винаги са адаптивни, но за потомството на тези организми те могат да бъдат полезни, вредни или безразлични, в зависимост от връзката на тези промени с всички условия на живот като цяло.
„Относителната целесъобразност, хармонията на растенията и животните в естествената природа са създадени само от естествения подбор, тоест наследствеността, нейната изменчивост и оцеляване.
Лисенко развива и задълбочава теорията на дарвинизма, като разкрива причините за определени явления, чието управление се изисква от селскостопанската практика. Това олицетворява великия принцип на единството на теорията и практиката.
Възгледите на съветската дарвинистка школа, както вече беше посочено, трябва да се противопоставят на възгледите на Вайсман-Морган. Напълно отхвърляйки възможността за промяна на природата на организмите под влияние на условията на живот, морганистите свеждат еволюцията до появата на случайни мутации. Способността за наследяване на определени черти се приписва на специално вещество, локализирано в клетъчното ядро.
Сесията на VASKHNIL, проведена през август 1948 г., осъди възгледите на морганистите и показа тяхната непоследователност. Реакционната същност на морганизма, която утвърждава съществуването на „вътрешни фактори”, които контролират развитието на организма и действат без участието на външната среда, стана по-очевидна.
Тезата за непознаваемостта на движещите сили на еволюцията е несъвместима с марксисткия философски материализъм, който доказва, по думите на другаря Сталин, „че светът и неговите закономерности са напълно познаваеми, че познанията ни за законите на природата, проверени от опит и практика, е надеждно знание, което има стойността на обективни истини, че в света няма непознаваеми неща, а само неща, които все още не са познати, които ще бъдат разкрити и познати от силите на науката и практиката."
Увлечението на Дарвин от „теорията“ на Малтус и опитът да я използва за обяснение на еволюционния процес трябва да бъдат признати за погрешни. Още по негово време Ф. Енгелс отбелязва, че изчезването на несъвършените форми всъщност става без малтузианство.
По същество данните на Дарвин опровергаха „теорията“ на Малтус; Маркс пише: „В работата на Дарвин, например, при обсъждането на причините за изчезването на видовете, има и подробно – да не говорим за основния му принцип – естествено-историческо опровержение на теорията на Малтус”.
Преразглеждайки тезата на Дарвин за ролята на свръхпопулацията в процеса на естествения подбор, която по същество противоречи на еволюционната теория, Лисенко отхвърли тази теза. Пренаселеността в природата, като правило, не е била и не може да бъде. „Затова под дарвинисткия естествен подбор имам предвид кумулативно действащи фактори - променливост, наследственост и оцеляване...
Накрая трябва да се отбележи, че в теорията на Дарвин проблемът за вида не е достатъчно развит.
Енгелс, оценявайки значението на понятието вид, пише: „Но без понятието за вид цялата наука се превърна в нищо. Всички негови клонове се нуждаеха от концепцията за вид като основа: какво биха били човешката анатомия и сравнителната анатомия, ембриология, зоология, палеонтология, ботаника и т.н., без понятието за вид?
Основният недостатък в дарвинистката концепция за развитие е отбелязан от другаря Сталин, който пише, че „дарвинизмът отхвърля не само катаклизмите на Кювие, но и диалектически разбираното развитие, включително революцията, докато от гледна точка на диалектическия метод, еволюцията и революцията, количествените и качествените промени са две необходими форми на едно и също движение."
Биологията на Мичурин, разработена на основата на диалектическия материализъм, отхвърля идеята за плоската еволюция, протичаща без резки промени. Подчертавайки тази позиция, Лисенко посочва, че видовете не са абстракции, а реално съществуващи възли (връзки) в общата биологична верига.
Следователно понятието за вид има двойно значение. От една страна, той обозначава качествената определеност и относителната стабилност на вида, от друга, възможността за неговата рязка трансформация в резултат на натрупване на постепенни промени.
Моментите, които отбелязахме, са колоритно разкрити в една от творбите на Лисенко; той пише: „Но еволюционната теория на Дарвин изхожда от признаването само на количествени промени, само на увеличение или намаляване и губи от поглед задължителната природа и закономерност на трансформациите, преходите от едно качествено състояние в друго. И все пак, без превръщането на едно качествено състояние на органичните форми в друго, няма развитие, няма трансформация на едни видове в други, а има само увеличаване или намаляване на количеството, има само това, което обикновено се нарича растеж .
Именно поради тази причина теорията на дарвинизма, която установи концепцията за развитие в биологичната наука, само концепцията за плоска еволюция може да обясни само развитието на органичния свят. Но това обяснение не може да се превърне в ефективна теория, теоретична основа за практическа трансформация, за промяна на органичната природа.
„Старата биологична наука, изхождайки от теорията на плоския еволюционизъм, от признаването само на постепенни количествени трансформации на едни органични форми в други, едни състояния в други състояния, не може да съгласува своите теоретични принципи с реалното и редовно съществуване на видовете в природата. Ето защо дори талантливи, напреднали, прогресивни учени със своята теория за постепенен преход, прерастването на един вид в друг, нов, бяха принудени, признавайки вида като реалност на практика, на теория да ги считат само за конвенция, само служебна концепция на таксономията.
Опитвайки се да излезе от това противоречие, без да се отклонява от позицията на плоския еволюционизъм, Дарвин, в своята теория за еволюцията на видообразуването, прибягва до реакционната малтузианска фалшива доктрина за вътрешновидовото пренаселеност и вътрешновидовата конкуренция, за която се твърди, че е резултат от това като движеща сила на еволюция."
Досега микробиолозите разполагат с огромно количество материал, потвърждаващ верността на учението на Мичурин-Лисенко. Спирайки се в тази работа само върху температурната адаптация на микроорганизмите, можем да покажем много примери, които говорят за промени в свойствата на микроскопичните същества под въздействието на околната среда. И така, в нашата наскоро публикувана (1947) монография „Екологична и географска променливост на почвените бактерии“, която обобщава работата за 1925-1945 г., беше показано, че климатът благоприятства образуването на температурни раси в бактериите. Смарагдова (1941) установява подобен факт по отношение на най-простата почва.
Температурната адаптация на микроорганизмите, по-специално образуването на термофилни форми на микроби, дава голяма стойност за изследването на промените в наследствените свойства на организмите под въздействието на околната среда. Този материал е още по-важен, защото много микроорганизми, като преобладаващата част от бактериите, нямат структурно образувано ядро, докато други го имат. Въпреки това, както се вижда от материала, представен по-долу, стабилността на наследствените свойства и тяхната промяна не зависят от височината на организация на конкретен микроб.
Вече отбелязахме, че в лабораторни условия, макар и с определени усилия, все още е възможно да се промени позицията на кардиналните температурни точки в микроорганизмите. Очевидно подобно явление трябва да има и в природата, където влиянието на околната среда води до появата на съответна адаптивна изменчивост в микроорганизмите.
Въз основа на гореизложеното може да се твърди, че появата на термофилни форми на микроби се случва не в резултат на неразумни "мутации", а под въздействието на подходящи условия на околната среда. Типичните мезофилни микроорганизми обаче не могат веднага да се превърнат в термофили.
От експериментите за адаптиране на мезофилите към термофилия трябва да се спомене работата на Далинджър (Dallinger, 1887). Този изследовател успява чрез постепенно повишаване на температурата на отглеждане на Flagellata за седем години да повиши позицията на максималната точка на тяхното развитие от 23 на 70°.
Чарлз Дарвин се интересува много от произведенията на Далинджър. В писмото си до Далинджър той пише: „Не знаех, че се занимавате с промяна на нисшите организми под влияние на променящите се условия на живот и не се съмнявам, че резултатите ви ще бъдат изключително интересни и ценни. Фактът, че споменахте, че живеят при различни температури, но постепенно могат да свикнат с много по-високи, е доста забележителен. Той обяснява съществуването на водорасли в горещите извори."
Работата по привикване на бактериите към високи температури е извършена от Dieudonne, който експериментира с антраксния бацил Bad. флуоресцентни и Bad. prodigiosum. Dieudonne постепенно повишава температурата, при която се отглеждат бактериите, и наблюдава тяхното развитие. Този изследовател, след серия от инокулации, успя да увеличи позицията на точката на максимална температура в бактериите с 4-5 °.
По подобен начин Циклинская (1898) получи състезанието Bac. subtili с температура максимум 8 ° по-висока от тази на оригиналната култура.
Гейдж и Стогтън разработиха по-устойчива на топлина раса, Bact. coli, а Магун направи същото за Bac. микоиди.
Krohn (1923) показа, че Bac. thermophilus Negre, който имаше оптимум от 50°, увеличи тази точка до 62,5° за две години култивиране при повишени температури.
Работите, много близки по характер до току-що отбелязаните, са извършени с бактерии и с гъби Ruzicka, Pfeiffer, Til и др.
В експериментите на повечето изследователи адаптирането на микробите към повишени температури става много бавно.Често при опит за изолиране на култури, които понасят относително висока температура, се получават нежизнеспособни форми, които умират след няколко пасажа. Подобен феномен е наблюдаван например в експериментите на Jahnke, който се опитва да получи термофилната раса Bac. мезентерикус.
Постепенното повишаване на температурата понякога не е много ефективно за премахване на топлоустойчиви форми на микроби. Така че, Касман и Ретгер (Casman a. Rettger, 1933), използвайки този метод за една година, не можаха да постигнат значителни резултати при получаването на топлоустойчиви смолисти бактерии. Ето защо някои изследователи препоръчват използването на силни въздействия, за да се предизвика появата на голям брой клетки в културата, които могат да понасят високи температури. Тази техника, тъй като не засяга пряко свойствата на живите същества, разбира се, не може да даде осезаеми резултати. По-специално, той е бил използван от Burkey и Rugosa (Burkey a. Rugosa, 1940). В този случай културата на експерименталния микроб обикновено е била подложена на резки температурни колебания, въздействието на соли и др.
Мнението на Kluyver и Baars, които признават, че много термофили са мутанти, които лесно се появяват в хранителни лабораторни среди, е в рязко противоречие с други изследователи. Тази гледна точка е разработена от известните микробиолози въз основа на изследването на Vibrio thermodesulfuricans, очевидно извлечено от Vibrio desulfuricans. Както вече беше посочено, мнението на Kluyver и Baars не може да се счита за разумно.
Наскоро Имшенецкий и Логинова (1944-1948) проведоха много подробни проучвания за адаптирането на мезофилните микроорганизми (бактерии и дрожди) към високи температури. В своята работа експериментаторите са се опитали да идентифицират условията, водещи до по-бързо производство на желаните форми на микроби. Тази информация е изключително интересна, тъй като на практика често са необходими микроорганизми с висока температура на развитие. Такива форми обикновено се откриват от микробиолози в природата, но не винаги с успех. Ето защо е препоръчително да се постави на дневен ред въпросът за изкуствено отглеждане на микробни култури с предварително определени свойства, т.е. създаването на все още практически отсъстващо направление в микробиологията.
Според идеите, разработени от Имшенецки, под въздействието на свръхоптимални температури в културата се появяват клетки, които могат да се развиват по-добре при повишени температури. Ако свойствата на новите клетки са в унисон с външната среда, тогава те се оказват по-жизнеспособни от оригиналните култури.
Така създадената среда допринася за определена посока на процеса на изменчивост. Мезофилните микроорганизми при подходящи условия могат да се превърнат в термофили. Трябва обаче още веднъж да се подчертае, че този процес протича с известна трудност, а оптималните условия за неговото ускоряване все още не са изяснени. Въпреки това, отбелязаните факти ни позволяват да предположим наличието на филогенетична връзка между термофилни и мезофилни микроби. Тъй като известна пластичност е присъща на всички микроби, става ясно, че в термофилните бактерии има голямо разнообразие от физиологични групи.
Забележителен е фактът, че връщането на термофилни и термотолерантни форми на микроби в мезофилни форми е не по-малко трудно. Това е отбелязано от изследванията на Dieudonne (1895) и Golikova (1926), които работят с бактерии, Gilbert (1904), който се занимава с термотолерантна плесен, и Noak (1912), който експериментира с термофилен актиномицет.
Въпреки това, дългосрочното култивиране на микроби при ниски температури намалява тяхната максимална температурна и термична устойчивост (Lowenstein, 1903; Mishustina, 1949, и др.).
Ако откриете грешка, моля, изберете част от текст и натиснете Ctrl + Enter.
Тестове
666-01. Как се различава бактериалната спора от свободната бактерия?
А) Спората има по-плътна обвивка от свободните бактерии.
Б) Спората е многоклетъчно образувание, а свободната бактерия е едноклетъчна.
В) Спорите са по-малко издръжливи от свободните бактерии.
Г) Спорите се хранят автотрофно, а свободните бактерии се хранят хетеротрофно.
Отговор
Отговор
666-03. Посочете случай на симбиоза на бактерия с друг организъм.
А) вибрион холера и хора
Б) салмонела и пиле
В) антракс бацил и овце
Г) Ешерихия коли и хората
Отговор
666-04. Нодулните бактерии доставят растения от молец
А) органична материя от мъртви растения
Б) азотни соли
Б) нуклеинови киселини
Г) въглехидрати
Отговор
666-05. Неблагоприятни условия за жизнената дейност на бактериите се създават, когато
А) мариноване на зеле
Б) консервиране на гъби
В) кефир за готвене
Г) полагане на силоза
Отговор
Отговор
666-07. Антраксните бактерии могат да се съхраняват дълго време в гробища под формата на
А) спор
Б) кисти
в) живи клетки
Г) зооспори
Отговор
Отговор
666-09. Какво е характерно за сапротрофните бактерии?
А) съществуват поради снабдяването с тъкани на живи организми
В) използват органични вещества от секретите на живите организми
Отговор
666-10. Бактериите съществуват на Земята от милиони години заедно със силно организирани организми оттогава
А) хранят се с готови органични вещества
Б) при възникване на неблагоприятни условия те образуват спорове
В) участват в кръговрата на веществата в природата
Г) имат проста структура и микроскопичен размер
Отговор
666-11. Кое от следните е правилно?
А) бактериите се размножават чрез мейоза
Б) всички бактерии са хетеротрофи
В) бактериите се адаптират добре към условията на околната среда
Г) някои бактерии са еукариотни организми
Отговор
666-12. Сходството на жизнената активност на цианобактериите и цъфтящите растения се проявява в способността да
А) хетеротрофно хранене
Б) автотрофно хранене
В) образуване на семена
Г) двойно оплождане
Отговор
666-13. Гниещи бактерии, живеещи в почвата
А) образуват органични вещества от неорганични
Б) се хранят с органични вещества на живите организми
В) допринасят за неутрализиране на отровите в почвата
Г) разлагат мъртвите останки от растения и животни до хумус
Отговор
666-14. Какви са характеристиките на гниещите бактерии?
А) използвайте готови органични вещества от живи организми
Б) синтезират органични вещества от неорганични, използвайки енергията на слънцето
В) използвайте органична материя от мъртви организми
Г) синтезират органични вещества от неорганични, използвайки енергията на химичните реакции
Отговор
666-15. Кои бактерии се считат за "поръчки" на планетата?
А) оцетна киселина
Б) възел
В) разпад
Г) млечна киселина
Отговор
666-16. Дизентерийна амеба, ресничеста обувка, зелена еуглена принадлежат към едно подцарство, защото имат
А) общ план на сградата
Б) подобен тип храна
В) същите методи на отглеждане
Г) общо местообитание
Отговор
666-17. Какъв е физиологичният процес при едноклетъчните животни, свързан с усвояването на газове от клетката?
А) храна
Б) подбор
В) размножаване
Г) дишане
