Бактериите са най-древната група организми, които в момента съществуват на Земята. Първите бактерии вероятно са се появили преди повече от 3,5 милиарда години и в продължение на почти милиард години са били единствените живи същества на нашата планета. Тъй като това бяха първите представители на дивата природа, тялото им имаше примитивна структура.
С течение на времето структурата им става по-сложна, но дори и 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.
Откривателят на света на бактериите е Антъни Левенхук, холандски натуралист от 17-ти век, който за първи път създава перфектен микроскоп с лупа, който увеличава обектите 160-270 пъти.
Бактериите са класифицирани като прокариоти и са разделени в отделно царство - Бактерии.
форма на тялото
Бактериите са многобройни и разнообразни организми. Те се различават по форма.
| име на бактерия | Форма на бактерии | Изображение на бактерии |
| коки | сферична | |
| бацил |  | пръчковиден |
| вибрион | крива запетая | |
| Спирилум |  | Спирала |
| стрептококи |  | Верига от коки |
| Стафилококи |  | Гроздове от коки |
| диплококи | Две кръгли бактерии, затворени в една лигава капсула |
Начини на транспортиране
Сред бактериите има подвижни и неподвижни форми. Подвижните се движат посредством вълнообразни контракции или с помощта на флагели (усукани спираловидни нишки), които се състоят от специален флагелинов протеин. Може да има един или повече флагели. Те се намират при някои бактерии в единия край на клетката, при други – в два или по цялата повърхност.
Но движението е присъщо и на много други бактерии, които нямат флагели. И така, бактериите, покрити със слуз отвън, са способни да се плъзгат.
Някои водни и почвени бактерии без 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 вакуоли, водните бактерии могат да потънат във водния стълб или да се издигнат до повърхността му, докато 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 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 изворна вода с температура около 80ºС. Те живеят върху растения, плодове, в различни животни и при хора в червата, устата, крайниците и по повърхността на тялото.
Бактериите са най-малките и многобройни живи същества. Поради малкия си размер те лесно проникват във всякакви пукнатини, пукнатини, пори. Много издръжлив и адаптиран към различни условия на съществуване. Понасят изсушаване, силен студ, нагряване до 90ºС, без да губят жизнеспособност.
Практически няма място на Земята, където да не се намират бактерии, но в различни количества. Условията на живот на бактериите са разнообразни. Някои от тях се нуждаят от кислород от въздуха, други не се нуждаят от него и са в състояние да живеят в среда без кислород.
Във въздуха: бактериите се издигат до горните слоеве на атмосферата до 30 км. и още.
Особено много от тях в почвата. Един грам почва може да съдържа стотици милиони бактерии.
Във вода: в повърхностните водни слоеве на 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 заболявания. Симбиотиците живеят в храносмилателните органи, помагат за разграждането и усвояването на храната, синтезират витамини.
Външна структура
Бактериалната клетка е облечена в специална плътна обвивка - клетъчната стена, която изпълнява защитни и поддържащи функции, а също така придава на бактерията постоянна, характерна форма. Клетъчната стена на бактерията прилича на обвивката на растителна клетка. Той е пропусклив: чрез него хранителните вещества свободно преминават в клетката, а метаболитните продукти излизат в околната среда. Бактериите често 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 предпазва бактериите от изсъхване.
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 размера на тялото на бактерията. Бактериите се движат с помощта на флагели и вили.
Вътрешна структура
Вътре в бактериалната клетка има плътна неподвижна цитоплазма. Има слоеста структура, няма вакуоли, така че в самото вещество на цитоплазмата са разположени различни протеини (ензими) и резервни хранителни вещества. Бактериалните клетки нямат ядро. В централната част на клетките им е концентрирано вещество, носещо наследствена информация. Бактерии, - нуклеинова киселина - ДНК. Но това вещество не е оформено в ядрото.
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 основното 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. Капчици мазнини се намират и в бактериалната клетка.
В централната част на клетката ядреното вещество, ДНК, е локализирано, не е отделено от цитоплазмата с мембрана. Това е аналог на ядрото - нуклеоидът. Нуклеоидът няма мембрана, ядро и набор от хромозоми.
Хранителни методи
Бактериите имат различни начини на хранене. Сред тях са автотрофи и хетеротрофи. Автотрофите са организми, които могат самостоятелно да образуват органични вещества за своето хранене.
Растенията се нуждаят от азот, но самите те не могат да абсорбират азот от въздуха. Някои бактерии комбинират азотни молекули във въздуха с други молекули, което води до вещества, достъпни за растенията.
Тези бактерии се заселват в клетките на младите корени, което води до образуването на удебеления по корените, наречени възли. Такива възли се образуват върху корените на растения от семейство бобови и някои други растения.
Корените осигуряват на бактериите въглехидрати, а бактериите осигуряват на корените вещества, съдържащи азот, които могат да бъдат усвоени от растението. Връзката им е взаимноизгодна.
Корените на растенията отделят много органични вещества (захари, аминокиселини и други), с които се хранят бактериите. Ето защо, особено много бактерии се заселват в почвения слой около корените. 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 кореновите тъкани:
- чрез увреждане на епидермалната и кортикалната тъкан;
- през коренови косми;
- само през младата клетъчна мембрана;
- поради придружаващи бактерии, произвеждащи пектинолитични ензими;
- поради стимулирането 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 кореновите косми;
- процес на образуване на възли.
В повечето случаи нахлуващата клетка активно се размножава, образува така наречените инфекциозни нишки и вече под формата на такива нишки се придвижва в растителните тъкани. Нодулните бактерии, които са излезли от нишката на инфекцията, продължават да се размножават в тъканта на гостоприемника.
Изпълнени с бързо размножаващи се клетки на нодулни бактерии, растителните клетки започват интензивно 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 легоглобиновия пигмент). Само тези бактерии, които съдържат легоглобин, 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 метаболизма. За някои върви с участието на кислород, за 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 абсорбират вещества отвън, разкъсват молекулите си, сглобяват черупката си от тези части и попълват съдържанието им (така растат) и изхвърлят ненужните молекули. Обвивката и мембраната на бактерията й позволяват да абсорбира само правилните вещества.
Ако обвивката и мембраната на бактерията бяха напълно непропускливи, в клетката нямаше да попаднат никакви вещества. Ако бяха пропускливи за всички вещества, съдържанието на клетката би се смесило със средата – разтвора, в който живее бактерията. За оцеляването на бактериите е необходима обвивка, която позволява преминаването на необходимите вещества, но не и на тези, които не са необходими.
Бактерията абсорбира хранителните вещества, които са близо до нея. Какво се случва след това? Ако може да се движи самостоятелно (чрез преместване на флагела или избутване на слузта 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 гъстотата на молекулите на друго вещество) донесе необходимите молекули до него.
Бактериите, заедно с други групи микроорганизми, изпълняват огромна химическа работа. Преобразувайки различни съединения, те получават енергията и хранителните вещества, необходими за тяхната жизнена дейност. Метаболитните процеси, начините за получаване на енергия и необходимостта от материали за изграждане на веществата на тялото им в бактериите са разнообразни.
Други бактерии задоволяват всички нужди от въглерод, необходим за синтеза на органични вещества на тялото, 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 помощта на тази химическа енергия, за да изградят клетките на тялото си. Следователно този процес се нарича хемосинтеза.
Най-важната група хемосинтетични микроорганизми са нитрифициращите 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 азотната 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 поради окисляването 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 енергиен източник.
бактериална фотосинтеза
Някои пигмент-съдържащи серни бактерии (лилаво, зелено), съдържащи специфични пигменти - бактериохлорофили, са способни да абсорбират слънчева енергия, с помощта на която сероводородът се разцепва в техните организми и дава 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 (понякога карбоксилните киселини) е донор на водород, а при зелените растения е вода. В тези и други разделянето и пренасянето на водорода се извършва благодарение на енергията на погълнатите слънчеви лъчи.
Такава 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:
6CO 2 + 12H 2 S + hv → C6H 12 O 6 + 12S \u003d 6H 2 O
Биологичното значение на хемосинтезата и бактериалната фотосинтеза в планетарен мащаб е сравнително малко. Само хемосинтетичните бактерии играят значителна роля в цикъла на сярата в природата. Усвоена от зелените растения под формата на соли на сярна киселина, сярата се възстановява и е част от протеиновите молекули. Освен това, по време на унищожаването на мъртвите растителни и животински остатъци от гнилостни бактерии, сярата се отделя под формата на сероводород, който се окислява от серни бактерии до свободна сяра (или сярна киселина), която образува достъпни за растенията сулфити в почвата. Химио- и фотоавтотрофните бактерии са от съществено значение в цикъла на азота и сярата.
спорообразуване
Спорите се образуват вътре в бактериалната клетка. В процеса на образуване на спори бактериалната клетка преминава през серия от 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.). Образуването на спори е характерно само за малка група бактерии.
Спорите не са основен етап от жизнения цикъл на бактериите. Спорообразуването започва само при липса на хранителни вещества или натрупване на метаболитни продукти. Бактериите под формата на спори могат да останат латентни за дълго време. Бактериалните спори издържат на продължително кипене и много дълго замразяване. Когато възникнат благоприятни условия, спорът покълва и става жизнеспособен. Бактериалните спори са приспособления 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 бактериите 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 запълни всички морета и океани. Едно просто изчисление показва, че на 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, изсушаване, липса на храна, нагряване до 65-100ºС, в резултат на борбата между видовете и др.
Бактерията (1), усвоила достатъчно храна, се увеличава по размер (2) и започва да се подготвя за размножаване (клетъчно делене). Нейната ДНК (в бактерия молекулата на ДНК е затворена в пръстен) се удвоява (бактерията произвежда копие на тази молекула). И двете ДНК молекули (3.4) изглежда са прикрепени към бактериалната стена и когато са удължени, бактериите 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 (при сенен бацил), две бактерии се слепват и между тях се образува мост (1,2).
ДНК се транспортира от една бактерия в друга чрез джъмпера (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
Циркулация
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 се използват повторно от растенията.
Бактериите унищожават сложната органична материя на мъртви растения и животински трупове, екскреции на живи организми и различни отпадъци. Хранейки се с тези органични вещества, сапрофитните гниещи бактерии ги превръщат в хумус. Това са санитарите на нашата планета. Така бактериите участват активно в кръговрата на веществата в природата.
образуване на почвата
Тъй като бактериите са 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, надземните тревни издънки загиват, старите клони окапват, а 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 настаняват 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 добивите.
Разпространение в природата
Микроорганизмите са повсеместни. Единствените изключения са кратерите на активни вулкани и малките участъци в епицентрите на взривени атомни бомби. Нито ниските температури на Антарктида, нито кипящите струи на гейзерите, нито наситените солеви разтвори в солените басейни, нито силната изолация на планинските върхове, нито суровата радиация на ядрените реактори 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 местните жители на нашата планета, които активно разработват най-невероятните естествени субстрати.
Микрофлора на почвата
Броят на бактериите в почвата е изключително голям – стотици милиони и милиарди индивиди в 1 грам. Те са много по-изобилни в почвата, 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 (по 20-100 клетки всяка). Често те се развиват в дебели съсиреци от органична материя, върху живи и умиращи корени на растения, в тънки капиляри и вътрешни бучки.
Почвената микрофлора е много разнообразна. Тук се срещат различни физиологични групи бактерии: гнилостни, 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, съседна на 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 водите на артезиански кладенци и извори. 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 на 1 ml, докато замърсената вода съдържа 100-300 хиляди или повече. В дънния тиня има много бактерии, особено в повърхностния слой, където бактериите образуват филм. В този филм има много сярни и железни бактерии, които окисляват сероводорода до сярна киселина и по този начин предотвратяват смъртта на рибите. В тинята има повече спороносни форми, докато във водата преобладават неспороносните.
По видовия състав водната микрофлора е подобна на почвената, но се срещат и специфични форми. Унищожавайки различни отпадъци, попаднали във водата, микроорганизмите постепенно извършват така нареченото биологично пречистване на водата.
Въздушна микрофлора
Въздушната микрофлора е по-малко от почвената и водната микрофлора. Бактериите се издигат във въздуха с прах, могат да останат там за 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 географския район, местоположението, сезона, замърсяването с прах и т.н. Всяка прашинка е носител на микроорганизми. Повечето бактерии във въздуха над промишлени предприятия. Въздухът в провинцията е по-чист. Най-чистият въздух е над гори, планини, заснежени пространства. Горните слоеве на въздуха съдържат по-малко микроби. Във въздушната микрофлора има много пигментирани и спороносни бактерии, които са по-устойчиви от други на ултравиолетовите лъчи.
Микрофлора на човешкото тяло
Тялото на човек, дори и напълно здрав, винаги е носител на микрофлора. Когато човешкото тяло влезе в контакт с въздуха и почвата, различни микроорганизми, включително патогени (тетанус бацили, газова гангрена и др.), се настаняват върху дрехите и кожата. Най-често се замърсяват откритите части на човешкото тяло. Е. coli, стафилококи се намират по ръцете. 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 умират. Започвайки от тънките черва, реакцията става алкална, т.е. благоприятен за микробите. Микрофлората в дебелото черво е много разнообразна. Всеки възрастен отделя около 18 милиарда бактерии дневно с екскременти, т.е. повече хора, отколкото хора на земното кълбо.
Вътрешните органи, които не са свързани 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 колоезденето
Микроорганизмите като цяло и бактериите в частност играят важна роля в биологично важните цикли на материята на Земята, извършвайки химически трансформации, които са напълно недостъпни нито за растенията, нито за животните. Различни 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.
азотен цикъл
Цикличната трансформация на азотните съединения играе първостепенна роля в доставянето на необходимите форми на азот на различни биосферни организми по отношение на хранителните 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 пълното окисляване на органичните вещества. При аеробни условия органичните съединения първоначално се разграждат чрез ферментация, а крайните продукти на органичната ферментация се окисляват допълнително чрез анаеробно дишане, ако присъстват неорганични акцептори на водород (нитрати, сулфати или CO2).
Цикъл на сярата
За живите организми сярата се предлага главно под формата на разтворими сулфати или редуцирани органични серни съединения.
Цикълът на желязото
Някои резервоари за прясна вода съдържат високи концентрации на редуцирани железни соли. 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 и участваха в образуването на кислородна атмосфера.
Бактериите са едни от най-просто подредените живи организми (с изключение на вирусите). Смята се, че те са първите организми, появили се на Земята.
Мисля, че в училище сте чували за бактерии.Това са толкова малки същества, които са навсякъде в мрак и мрак и без които не бихме могли да съществуваме. И така, оказва се, че сред тях има гиганти и джуджета. Освен това най-големият от тях е с размерите на планина в сравнение с останалите! Тази гигантска бактерия се нарича Epulopiscium. По размер (до 0,5 мм) може да се сравни със зърно сол - огромен размер в света на микроскопичните същества. Може дори да се види с просто око. Това животно може да достигне размера на малки насекоми и ракообразни.
Изследвания са проведени и публикувани в Cornish Academy, за да се определят причините за такива големи размери. Оказа се, че тази бактерия съхранява до 85 хиляди копия на ДНК. За сравнение човешките клетки съдържат максимум 3 копия. Това сладко същество живее с помощта на симбиоза в храносмилателния тракт на рибата хирург (тропическа рифова риба). Това е открито през 1985 г.
„Други бактерии също съдържат много копия на ДНК, но броят им е не повече от 100-200. Но този пази цяла банка от генетичната си информация“, казва Ешер Ангерт, професор по микробиология в университета Корнуел.
Обикновените бактерии са много малки и прости по структура. Те са лишени от всякакви органи (в клетките те се наричат органели), които насърчават клетъчния растеж, като растителни или животински клетки. Бактериите се хранят чрез абсорбиране на хранителни вещества през клетъчната стена. Вътре хранителните вещества се разпределят "самоходно", така че бактериите са принудени да бъдат малки, в противен случай хранителните вещества няма да могат да се разпространяват в целия си обем.
Но споменатата по-горе гигантска бактерия копира многократно своята ДНК и разпределя копията равномерно близо до черупката, така че да получават хранителни вещества бързо и в достатъчно количество.
„Наличието на хиляди копия на ДНК, разпределени по периферията, дава възможност да се реагира незабавно на външни фактори – температура, дразнене и други“, добавя Ешер Ангерт. Следователно, въпреки големия си размер, тази бактерия незабавно реагира на атаките на хищници в своя свят, от които има много в храносмилателния тракт на рибите. Друга негова характеристика е специален начин на разделяне. Повечето бактерии просто се разделят на 2 части, но Epulopiscium отглежда две дъщерни клетки вътре в себе си, които след смъртта си излизат.
Но се оказва, че има още по-големи бактерии! През 1999 г. е открит още по-голям вид, Thiomargarita namibiensis. Достига размер от 0,75 мм. Това същество се храни с нитрати, синтезирайки органични вещества от тях. Тези гиганти живеят на брега на Намибия, а някои от техните далечни роднини живеят във водите на Мексиканския залив.
Бактериите са най-малките клетъчни организми, само вирусите са по-малки. Обикновената бактерия е 10 пъти по-малка от човешката клетка, с размери 0,5-5,0 микрометра (те могат да се видят само под микроскоп). Хиляди бактерии от десетки видове са например в капка слюнка. Един грам почва съдържа около 40 милиона бактерии, а най-малката капка сурова вода също съдържа милиони бактерии. Планетата съдържа (приблизително, разбира се) 5.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 бактерии (30 нули). Те представляват най-разпространената форма на живот, присъстваща навсякъде - от океанското дъно до високите планински снегове.
п.с. Снимката показва героинята на статията. Други бактерии на тази снимка изглеждат като едва видими малки точки наоколо.
Бактериите започнаха живот на нашата планета. Учените вярват, че всичко ще свърши с тях. Има един виц, че когато извънземните изучават Земята, не могат да разберат кой е истинският й собственик – човек или бацил. Най-интересните факти за бактериите са избрани по-долу.
Бактерията е отделен организъм, който се възпроизвежда чрез делене. Колкото по-благоприятно е местообитанието, толкова по-бързо се разделя. Тези микроорганизми живеят във всички живи същества, както и във водата, храната, гнилите дървета и растенията.
Този списък не е ограничен. Бацилите оцеляват много добре върху предмети, които човек е докоснал. Например на парапета в градския транспорт, на дръжката на хладилника, на върха на молив. Наскоро от Университета на Аризона бяха открити интересни факти за бактериите. Според техните наблюдения на Марс живеят „спящи“ микроорганизми. Учените са сигурни, че това е едно от доказателствата за съществуването на живот на други планети, освен това, според тях, извънземните бактерии могат да бъдат „съживени“ на Земята.
За първи път микроорганизъм е изследван в оптичен микроскоп от холандския учен Антъни ван Льовенхук в края на 17 век. В момента има около две хиляди известни вида бацили. Всички те могат условно да бъдат разделени на:
- вреден;
- полезен;
- неутрален.
В същото време вредните обикновено се борят с полезни и неутрални. Това е една от най-честите причини, поради които човек се разболява.
Най-любопитните факти
Като цяло едноклетъчните организми участват във всички жизнени процеси.
Бактерии и хора
От раждането си човек влиза в свят, пълен с различни микроорганизми. Някои му помагат да оцелее, други причиняват инфекции и болести.
Най-любопитните интересни факти за бактериите и хората:
Оказва се, че бацилът може както напълно да излекува човек, така и да унищожи нашия вид. Бактериалните токсини вече съществуват.
Как бактериите ни помогнаха да оцелеем?
Ето още няколко интересни факта за бактериите, които са от полза за хората:
- някои видове бацили предпазват човек от алергии;
- бактериите могат да се използват за изхвърляне на опасни отпадъци (например петролни продукти);
- Без микроорганизми в червата хората не биха оцелели.
Как да научим децата на бацилите?
Бебетата са готови да говорят за бацили още на 3-4 години. За да предадете правилно информацията, си струва да разкажете интересни факти за бактериите. За децата например е много важно да разберат, че има зли и добри микроби. Че добрите хора могат да превърнат млякото в ферментирало печено мляко. И също така, че помагат на корема да смила храната.
Обърнете внимание на лошите бактерии. Кажете, че са много малки, така че не се виждат. Влизайки в човешкото тяло, микробите бързо стават многобройни и започват да ни изяждат отвътре.
Детето трябва да знае, че злият микроб не влиза в тялото:
- Измийте ръцете си след улицата и преди хранене.
- Не яжте много сладкиши.
- Дайте ваксинации.
Най-добрият начин да покажете бактериите е със снимки и енциклопедии.
Какво трябва да знае всеки ученик?
С по-голямо дете е по-добре да се говори не за микроби, а за бактерии. Интересни факти за учениците са важни за оспорване. Тоест, като говорим за важността на миенето на ръцете, можете да кажете, че 340 колонии от вредни бацили живеят върху дръжките на тоалетните.
Заедно можете да намерите информация за това кои бактерии причиняват кариес. И също така кажете на ученика, че шоколадът в малко количество има антибактериален ефект.
Дори ученик в началното училище ще може да разбере какво е ваксина. Това е, когато малко количество вирус или бактерия се въвежда в тялото и имунната система ги побеждава. Ето защо е толкова важно да се ваксинираш.
Още от детството трябва да дойде разбирането, че страната на бактериите е цял свят, който все още не е напълно проучен. И докато има тези микроорганизми, съществува и самият човешки вид.
Опит за секвениране на генома на гигантска сярна бактерия Achromatium oxaliferumдаде парадоксален резултат: оказа се, че всяка бактериална клетка съдържа не един, а много различни геноми. Ниво на вътреклетъчно генетично разнообразие A. oxaliferumсравнимо с разнообразието на многовидовата бактериална общност. Очевидно различни хромозоми се размножават в различни части на цитоплазмата, която е разделена от големи калцитни включвания на много слабо комуникиращи отделения (отделения). Важна роля в поддържането на вътрешното генетично разнообразие играят множество мобилни генетични елементи, които улесняват трансфера на гени от хромозома към хромозома. Авторите на откритието предполагат, че естественият подбор в този уникален организъм не е толкова на ниво клетки, колкото на ниво отделни отделения в една гигантска клетка.
1 Мистериозни бактерии
Гигантска сярна бактерия Achromatium oxaliferumе открит още през 19-ти век, но неговата биология все още остава загадъчна - до голяма степен защото ахроматиумът не може да се култивира в лаборатория. Ахроматиевите клетки могат да бъдат дълги до 0,125 mm, което го прави най-голямата от сладководни бактерии (в моретата има дори по-големи серни бактерии, като напр. Тиомаргарита, което е описано в новините Най-старите докамбрийски ембриони се оказаха бактерии? , "Елементи", 15.01.2007 г.).
Achromatium oxaliferumживее в дънните седименти на пресни езера, където обикновено се среща на границата на кислородната и аноксичната зони, но прониква и в напълно аноксични слоеве. Други разновидности (или видове) ахроматиум живеят в минерални извори и в солени седименти на приливни блата.
Ахроматиумът получава енергията си чрез окисление на сероводород, първо до сяра (която се съхранява като гранули в цитоплазмата), а след това до сулфати. Той е в състояние да фиксира неорганичен въглерод, но може да абсорбира и органични съединения. Не е ясно дали той е в състояние да управлява само автотрофния метаболизъм или има нужда от органично хранене.
Уникална особеност на ахроматиума е наличието на множество големи включвания на колоиден калцит в клетките му (фиг. 1). Защо бактериите се нуждаят от това и каква роля играе калциевият карбонат в неговия метаболизъм не е точно известно, въпреки че има правдоподобни хипотези (V. Salman et al., 2015. Калцит-акумулиращи големи серни бактерии от рода Ахроматиумв Солено блато Сипеуисет).
Цитоплазмата на ахроматиума се сгуши в пролуките между калцитните гранули, които всъщност я разделят на много комуникиращи отделения (компарменти). Въпреки че отделенията не са напълно изолирани, обменът на материя между тях, очевидно, е труден, особено след като прокариотите имат много по-слаби системи за активен вътреклетъчен транспорт от еукариотите.
И сега се оказа, че калцитните гранули не са единствената уникална характеристика на ахроматия. И дори не най-удивителната. В статия, публикувана в списанието Природни комуникации, немски и британски биолози съобщават за парадоксални резултати при опити за разчитане на геномите на отделни клетки A. oxaliferumот дънните седименти на езерото Стехлин в Североизточна Германия. Тези резултати са толкова необичайни, че е трудно да се повярва в тях, въпреки че очевидно няма основания да се съмняваме в тяхната надеждност: работата беше извършена методологически много внимателно.
2. Потвърждение за полиплоидия
Въпреки че ахроматиумът, както вече споменахме, се отнася до некултивирани бактерии, това неудобство е частично компенсирано от гигантския размер на клетките. Те са ясно видими под светлинен микроскоп дори при малко увеличение и могат да бъдат взети ръчно от проби от дънни утайки (предварително прекарани през филтър за отстраняване на големи частици). Така авторите събират материал за изследването си. клетки A. oxaliferumса покрити с органична покривка, по повърхността на която гъмжат различни съжителства - дребни бактерии. Цялата тази съпътстваща микробиота беше внимателно отмита от избраните клетки, за да се намали делът на чуждата ДНК в пробите.
Първо, изследователите оцветиха клетките на ахроматиум със специално флуоресцентно багрило за ДНК, за да разберат колко генетичен материал има в клетката и как се разпределя. Оказа се, че ДНК молекулите не са ограничени в нито една област от цитоплазмата, а образуват множество (средно около 200 на клетка) локални натрупвания в пролуките между калцитните гранули (фиг. 1, б, г).
Като се има предвид всичко, което е известно до момента за големите бактерии и тяхната генетична организация, този факт вече е достатъчен, за да се счита за доказано, че A. oxaliferumе полиплоид, тоест всяка негова клетка съдържа не едно, а много копия на генома.
Въпреки това, след като погледнем назад, вече е ясно, че такава огромна прокариотна клетка не би могла да се справи с нито едно копие. Просто не би било достатъчно да осигури цялата клетка с транскриптите, необходими за синтеза на протеини.
Съдейки по факта, че ДНК клъстерите се различават по интензитет на флуоресценция, тези клъстери най-вероятно съдържат различен брой хромозоми. Тук е необходимо да се направи резервация, че обикновено целият геном на прокариотната клетка се намира на една пръстенна хромозома. За ахроматиума това не е доказано, но е много вероятно. Ето защо, за простота, авторите използват термина "хромозома" като синоним на термина "едно копие на генома", и ние ще направим същото.
На този етап все още не е открито нищо сензационно. Отминаха дните, когато всички смятаха, че прокариотите винаги или почти винаги имат само една кръгла хромозома във всяка клетка. Днес вече са известни много видове полиплоидни бактерии и археи (вижте Elements, 14.06.2016).
3. Метагеном на многовидова общност – в една клетка
Чудесата започнаха, когато авторите се заеха с изолиране на ДНК от избрани и измити клетки и секвениране. От 10 000 клетки е получен метагеном (виж Метагеномика), тоест набор (около 96 милиона) от къси последователни произволни фрагменти от хромозоми (четения), принадлежащи на различни индивиди и заедно даващи представа за генетичното разнообразие на население.
След това изследователите се заеха със секвениране на ДНК от отделни клетки. Първо, фрагменти от гена 16s-rRNA бяха изолирани от 27 клетки, според които е обичайно да се класифицират прокариотите и по които обикновено се определя наличието на един или друг вид микроби в анализираната проба. Почти всички изолирани фрагменти принадлежат на ахроматиума (т.е. те приблизително съвпадат с последователностите на 16s-rRNA на ахроматиума, които вече са налични в генетичните бази данни). От това следва, че изследваната ДНК не е била заразена с генетичния материал на някои външни бактерии.
Оказа се, че всяка клетка A. oxaliferum,за разлика от по-голямата част от други прокариоти, съдържа не един, а няколко различни варианта (алели) на гена 16s-rRNA. Трудно е да се определи точният брой на вариантите, тъй като малките разлики могат да се обяснят с грешки в последователността и ако само много различни фрагменти се считат за „различни“, тогава възниква въпросът, колкоте трябва да са много различни. Използвайки най-строгите критерии, се оказа, че във всяка клетка има приблизително 4-8 различни алела на гена 16s-rRNA и това е минималната оценка, но всъщност най-вероятно има повече. Това рязко контрастира със ситуацията, характерна за други полиплоидни прокариоти, при които по правило един и същ вариант на даден ген се намира на всички хромозоми на една клетка.
Освен това се оказа, че алелите на гена 16s-rRNA присъстват в същата клетка A. oxaliferum, често образуват клони, много отдалечени един от друг в общо генеалогично дърво на всички варианти на този ген, открити (по-рано и сега) в A. oxaliferum.С други думи, 16s-rRNA алелите от една клетка не са повече свързани един с друг, отколкото алелите, взети на случаен принцип от различни клетки.
Накрая, авторите извършиха цялостно ДНК секвениране от шест отделни клетки. Бяха прочетени приблизително 12 милиона произволни фрагмента (четения) за всяка клетка. В нормална ситуация това би било повече от достатъчно, за да се използват специални компютърни програми, за да се съберат от прочитания, като се използват техните припокриващи се части, шест много висококачествени (тоест четени с много високо покритие, вижте Покритие) индивидуални генома.
Но това не беше така: въпреки че почти всички показания безспорно принадлежаха на ахроматиума (примесът от чужда ДНК беше незначителен), разчетените фрагменти категорично отказаха да бъдат сглобени в геноми. Допълнителен анализ изясни причината за провала: оказа се, че ДНК фрагментите, изолирани от всяка клетка, всъщност принадлежат не към един, а към много доста различни геноми. Всъщност това, което авторите са получили от всяка отделна клетка, не е геном, а метагеном.Такива набори от показания обикновено се получават чрез анализиране не на един организъм, а на цялата популация, която също има високо ниво на генетично разнообразие.
Това заключение е потвърдено по няколко независими начина. По-специално, известни са десетки гени, които почти винаги присъстват в бактериалните геноми в едно копие (единично копие на маркерни гени). Тези маркерни гени с едно копие се използват широко в биоинформатиката за проверка на качеството на сглобяването на генома, оценка на броя на видовете в метагеномни проби и други подобни задачи. И така, в геномите (или "метагеномите") на отделните клетки A. oxaliferumповечето от тези гени присъстват като няколко различни копия. Както при 16s rRNA, алелите на тези гени с едно копие, открити в една и съща клетка, обикновено не са повече свързани един с друг, отколкото алелите от различни клетки. Нивото на вътреклетъчно генетично разнообразие се оказа сравнимо с нивото на разнообразие на цялата популация, оценено на базата на метагеном от 10 000 клетки.
Съвременната метагеномика вече има методи, които правят възможно изолирането на фрагменти от много хетерогенни ДНК фрагменти, открити в проба, които най-вероятно принадлежат към един и същ геном. Ако има достатъчно такива фрагменти, тогава от тях може да се сглоби значителна част от генома и дори пълен геном. Именно по този начин наскоро беше открит и подробно охарактеризиран нов супертип археи, asgardarchei (вижте Описан нов супертип археи, към който принадлежат предците на еукариотите, „Елементи“, 16.01.2017 г.). Авторите прилагат тези методи към "метагеномите" на отделните клетки. A. oxaliferum.Това даде възможност да се идентифицират във всеки „метагеном“ 3–5 набора от генетични фрагменти, най-вероятно съответстващи на отделни кръгови геноми (хромозоми). Или по-скоро всеки такъв набор съответства на цяла група от подобни геноми. Брой различни геноми във всяка клетка A. oxaliferumвероятно повече от 3-5.
Нивото на разликите между геномите, присъстващи в една и съща клетка A. oxaliferum, приблизително съответства на междувидовите: бактериите с това ниво на разлики, като правило, принадлежат към различни видове от един и същи род. С други думи, генетичното разнообразие, присъстващо във всяка отделна клетка A. oxaliferum,сравними дори не с популация, а с многовидова общност. Ако ДНК от една ахроматична клетка се анализира с помощта на съвременни методи на метагеномика „на сляпо“, без да се знае, че цялата тази ДНК идва от една клетка, тогава анализът недвусмислено би показал, че в пробата присъстват няколко вида бактерии.
4. Вътреклетъчен трансфер на гени
И така, при A. oxaliferumоткри фундаментално нов, направо нечуван тип генетична организация. Разбира се, откритието повдига много въпроси и преди всичко въпросът „как е възможно това изобщо?!”
Няма да разглеждаме най-безинтересния вариант, който е, че всичко това е резултат от груби грешки, допуснати от изследователите. Ако е така, скоро ще разберем: Природни комуникации- списанието е сериозно, други екипи ще искат да повторят изследването, така че е малко вероятно опровержението да се забави. Много по-интересно е да се обсъди ситуацията при предположението, че изследването е извършено внимателно и резултатът е надежден.
В този случай първо трябва да се опитате да разберете причините за откритите A. oxaliferumбезпрецедентно вътреклетъчно генетично разнообразие: как се формира, защо се запазва и как самият микроб успява да оцелее в процеса. Всички тези въпроси са много трудни.
Във всички други полиплоидни прокариоти, проучени до момента (включително солелюбивите археи, познати на читателите на "Елементи") Haloferax volcanii) всички копия на генома, присъстващи в клетката, без значение колко има, са много сходни помежду си. Нищо подобно на колосалното вътреклетъчно разнообразие, открито в A. oxaliferum,те не се спазват. И това в никакъв случай не е случайно. Полиплоидията дава на прокариотите редица предимства, но допринася за неконтролираното натрупване на рецесивни вредни мутации, което в крайна сметка може да доведе до изчезване (за повече подробности вижте новините Полиплоидия на еукариотните предци - ключът към разбирането на произхода на митозата и мейозата, „Елементи“, 14.06.2016 г.).
За да се избегне натрупването на мутационен товар, полиплоидните прокариоти (и дори полиплоидни растителни пластиди) активно използват генна конверсия - асиметричен вариант на хомоложна рекомбинация, при която два алела не сменят местата си, преминавайки от хромозома към хромозома, както при кръстосване, и един от алелите се заменя с друг. Това води до обединяване на хромозомите. Поради интензивното преобразуване на гени, вредните мутации или бързо се „презаписват“ от неповредената версия на гена, или преминават в хомозиготно състояние, появяват се във фенотипа и се отхвърлят чрез селекция.
В A. oxaliferumпреобразуването на гени и обединяването на хромозомите най-вероятно също се случват, но не в мащаба на цялата клетка, а на нивото на отделни "отделения" - пролуки между калцитни гранули. Следователно в различни части на клетката се натрупват различни варианти на генома. Авторите потвърждават това чрез селективно оцветяване на различни алелни варианти на гена 16s-rRNA (вж. Флуоресцентни на мястохибридизация). Оказа се, че в различните части на клетката концентрацията на различните алелни варианти наистина се различава.
Това обаче все още е недостатъчно, за да обясни най-високото ниво на вътреклетъчно генетично разнообразие, открито в A. oxaliferum. Авторите виждат основната му причина във високите нива на мутагенеза и вътреклетъчните геномни пренареждания. Сравнението на фрагменти от хромозоми от една и съща клетка показа, че тези хромозоми, очевидно, живеят много бурен живот: те постоянно мутират, пренареждат и обменят части. В A. oxaliferumот езерото Стехлин броят на мобилните генетични елементи е рязко увеличен в сравнение с други бактерии (включително най-близките роднини - ахроматиуми от солени блата, в които нивото на вътреклетъчно разнообразие, съдейки по предварителните данни, е много по-ниско). Активността на транспозируемите елементи допринася за чести геномни пренареждания и прехвърляне на ДНК сегменти от една хромозома в друга. Авторите дори измислиха специален термин за това: „вътреклетъчен генен трансфер“ (iGT), по аналогия с всички известни хоризонтални генни трансфери (HGT).
Едно от най-ясните доказателства за чести пренареждания в хромозомите A. oxaliferum- различен ред на гени в различни версии на генома, включително в рамките на една и съща клетка. Дори в някои консервативни (рядко променящи се в хода на еволюцията) оперони, отделните гени понякога са разположени в различни последователности на различни хромозоми в една и съща клетка.
Фигура 2 показва схематично основните механизми, които според авторите създават и поддържат високо ниво на вътреклетъчно генетично разнообразие в A. oxaliferum.
5. Вътреклетъчна селекция
Чести пренареждания, вътреклетъчен генен трансфер, висока скорост на мутагенеза - дори ако всичко това може най-малкото да обясни голямото вътреклетъчно генетично разнообразие (а аз мисля, че не може, ще говорим за това по-долу), остава неясно как се справя ахроматиумът в такива условия да останат жизнеспособни. В края на краищата, по-голямата част от неутралните (влияващи на фитнес) мутации и пренареждания трябва да са вредни! Полиплоидните прокариоти вече имат повишена склонност към натрупване на мутационен товар и ако също така допуснем свръхвисоки нива на мутагенеза, става напълно неразбираемо как може да съществува такова същество като ахроматиум.
И тук авторите излагат една наистина иновативна хипотеза. Те предполагат, че естественият подбор в ахроматиума действа не толкова на нивото на цели клетки, колкото на нивото на отделни компартменти - слабо комуникиращи празнини между калцитни гранули, във всяка от които вероятно се размножават собствените им варианти на генома.
На пръв поглед предположението може да изглежда диво. Но ако се замислите, защо не? За да направите това, достатъчно е да се предположи, че всяка хромозома (или всеки локален клъстер от подобни хромозоми) има ограничен "радиус на действие", тоест протеините, кодирани в тази хромозома, се синтезират и работят главно в непосредствена близост до нея и са не се разбърква равномерно в цялата клетка. Най-вероятно така, както е. В този случай тези отделения, където се намират по-успешни хромозоми (съдържащи минимум вредни и максимално полезни мутации), ще репликират своите хромозоми по-бързо, ще има повече от тях, те ще започнат да се разпространяват вътре в клетката, постепенно измествайки по-малко успешните копия на генома от съседни компартменти. Възможно е да си представим подобно нещо.
6. Вътреклетъчното генетично разнообразие се нуждае от повече обяснения
Идеята за интензивна вътреклетъчна селекция на геноми, отговаряща на един въпрос (защо ахроматиумът не умира при толкова висока скорост на мутагенеза), веднага създава друг проблем. Факт е, че поради такъв подбор по-успешните (по-бързо репликиращи) копия на генома трябва неизбежно да изтласкат по-малко успешни копия вътре в клетката. понижаванедокато вътреклетъчно генетично разнообразие. Този, който искахме да обясним от самото начало.
Освен това е ясно, че вътреклетъчното генетично разнообразие трябва да намалява рязко с всяко клетъчно делене. Различни хромозоми се намират в различни отделения, следователно по време на деленето всяка дъщерна клетка ще получи не всички, а само някои от вариантите на генома, които има майката. Това се вижда дори на фиг. 2.
Вътреклетъчната селекция плюс компартментализацията на геномите са два мощни механизма, които трябва да намалят вътрешното разнообразие толкова бързо, че нито една възможна (съвместима с живота) скорост на мутагенеза да не може да му устои. По този начин вътреклетъчното генетично разнообразие остава необяснимо.
Обсъждайки получените резултати, авторите многократно се позовават на нашата работа, която е описана в новината Полиплоидията на еукариотните предци е ключът към разбирането на произхода на митозата и мейозата. По-специално, те споменават, че е много полезно за полиплоидните прокариоти да обменят генетичен материал с други клетки. Те обаче вярват, че междуклетъчният генетичен обмен не играе голяма роля в живота на Achromatium. Това е оправдано от факта, че въпреки че гените за усвояване на ДНК от външната среда (трансформация, вижте Трансформация) са открити в метагенома на Achromatium, няма гени за конюгация (вижте Бактериална конюгация).
Според мен генетичната архитектура на ахроматиума сочи не към конюгация, а към по-радикални начини за смесване на генетичния материал на различни индивиди, като обмен на цели хромозоми и клетъчно сливане. Съдейки по получените данни, от генетична гледна точка, клетката A. oxaliferumе нещо като прокариотен плазмодий или синцитий, като тези, които се образуват в резултат на сливането на много генетично различни клетки в слузести плесени. Припомнете си, че ахроматиумът е некултивирана бактерия, така че е възможно някои елементи от жизнения му цикъл (като периодично клетъчно сливане) да убягнат от вниманието на микробиолозите.
В полза на факта, че се формира вътреклетъчното генетично разнообразие на ахроматиум невътреклетъчно, се доказва от един от основните факти, открити от авторите, а именно, че алелите на много гени, разположени в една и съща клетка, образуват разклонения далеч един от друг на филогенетичното дърво. Ако цялото вътреклетъчно разнообразие от алели се формира в рамките на клонално възпроизвеждащи се клетки, които не променят гените помежду си, тогава може да се очаква, че алелите в клетката ще бъдат по-свързани един с друг, отколкото алелите от различни клетки. Но авторите убедително показаха, че това не е така. Като цяло бих се обзаложил, че клетъчното сливане присъства в жизнения цикъл на ахроматиума. Това изглежда е най-икономичното и правдоподобно обяснение за огромното вътреклетъчно генетично разнообразие.
В последната част на статията авторите намекват, че генетичната архитектура на ахроматиума може да хвърли светлина върху произхода на еукариотите. Те го формулират така: Между другото, Марков и Казначеев предполагат, че подобно на ахроматиума от езерото Щехлин, протоеукариотните клетки могат бързо да мутират, диверсифицирайки своите хромозоми, полиплоидни бактерии / археи". Съвсем правилно, но ние също така показахме, че такова същество не би могло да оцелее без интензивен междуорганизъм генетичен обмен. Да се надяваме, че по-нататъшните изследвания ще хвърлят светлина върху останалите неразгадани мистерии на ахроматиума.
Джуджета и гиганти сред бактерии
Бактериите са най-малките живи организми, които са най-често срещаната форма на живот на Земята. Обикновените бактерии са около 10 пъти по-малки от човешката клетка. Размерът им е около 0,5 микрона и могат да се видят само с микроскоп. В света на бактериите обаче се оказва, че има и джуджета и гиганти. Един от тези гиганти е бактерията Epulopiscium fishelsoni, чиито размери достигат половин милиметър! Тоест достига размерите на песъчинка или зърно сол и може да се види с просто око.
Размножаване на Epulopiscium
В Академията на Корниш са проведени проучвания, за да се определят причините за такива големи размери. Както се оказа, бактерията съхранява 85 000 копия на ДНК. За сравнение, само 3 копия са открити в човешките клетки. Това сладко създание живее в храносмилателния тракт на тропическата рифова риба Acanthurus nigrofuscus (риба хирург).
Обикновените видове бактерии са много малки и примитивни, нямат органи и храненето става през черупката. Хранителните вещества са равномерно разпределени в тялото на бактериите, така че те трябва да са малки. За разлика от тях, Epulopiscium копира своята ДНК многократно, равномерно разпределя копия по черупката и те получават достатъчно храна. Тази структура й дава способността мигновено да реагира на външни стимули. За разлика от другите бактерии и начина на разделяне. Ако обикновените бактерии просто се разделят наполовина, тогава тя отглежда две клетки в себе си, които след смъртта й просто излизат навън.
Намибийска сярна перла
Въпреки това, дори тази далеч не малка бактерия не може да се сравнява с най-голямата бактерия в света, което се счита Thiomargarita namibiensis, иначе "намибийска сярна перла" - грам-отрицателна морска бактерия, открита през 1997г. Той не само се състои само от една клетка, но също така й липсва поддържащ скелет по същия начин, както правят еукариотите. Размерите на Thiomargarita достигат 0,75-1 мм, което ви позволява да го видите с невъоръжено око.
Според вида на метаболизма Тиомаргарита е организъм, който получава енергия в резултат на редукционно-окислителни реакции и може да използва нитратите като краен обект, който получава електрони. Клетките на Namibian Sulphur Pearl са неподвижни и следователно съдържанието на нитрати може да варира. Thiomargarita може да съхранява нитрати във вакуола, която заема около 98% от цялата клетка. При ниска концентрация на нитрати съдържанието му се използва за дишане. Сулфидите се окисляват от нитратите до сяра, която се събира във вътрешната среда на бактерията под формата на малки гранули, което обяснява перления цвят на Тиомаргарита.
Изследване на Тиомаргарита
Последните проучвания показват, че Thiomargarita namibiensis може да не е задължителен, а факултативен организъм, който получава енергия без присъствието на кислород. Той е в състояние да диша кислород, ако този газ е достатъчен. Друга отличителна черта на тази бактерия е възможността за палинтомно деление, което протича без увеличаване на междинния растеж. Този процес се използва от Thiomargarita namibiensis при стресови състояния, причинени от гладуване.
Бактерията е открита в дънните седименти на сплескания край на континента, близо до брега на Намибия, от Хайде Шулц, немски биолог и нейните колеги през 1997 г., а през 2005 г. в студените скали на дъното на Мексиканския залив , е открит подобен щам, което потвърждава широкото разпространение на намибийската сярна перла.
Виктор Островски, Samogo.Net
