Las bacterias son el grupo de organismos más antiguo que existe actualmente en la Tierra. Las primeras bacterias aparecieron, probablemente hace más de 3,5 mil millones de años y durante casi mil millones de años fueron los únicos seres vivos en nuestro planeta. Dado que estos fueron los primeros representantes de la naturaleza viva, su cuerpo tenía una estructura primitiva.
Con el tiempo, su estructura se ha vuelto más compleja, pero hasta el día de hoy las bacterias se consideran los organismos unicelulares más primitivos. Curiosamente, algunas bacterias aún conservan las características primitivas de sus ancestros. Esto se observa en bacterias que viven en manantiales de azufre caliente y limos anóxicos en el fondo de los embalses.
La mayoría de las bacterias son incoloras. Solo unos pocos son de color violeta o verde. Pero las colonias de muchas bacterias tienen un color brillante, que se debe a la liberación de una sustancia coloreada al medio ambiente o la pigmentación de las células.
El pionero del mundo de las bacterias fue Anthony Leeuwenhoek, un naturalista holandés del siglo XVII, quien fue el primero en crear un microscopio de lupa perfecto que amplía objetos entre 160 y 270 veces.
Las bacterias se clasifican como procariotas y se aíslan en un reino separado: las bacterias.
Forma del cuerpo
Las bacterias son organismos numerosos y variados. Varían en forma.
| Nombre de la bacteria | Forma de bacterias | Imagen de bacterias |
| Cocci | Esférico | |
| Bacilo |  | En forma de varilla |
| Vibrio | Coma curvada | |
| Spirillum |  | Espiral |
| Estreptococos |  | Cadena Cocci |
| Estafilococos |  | Racimos de cocos |
| Diplococos | Dos bacterias redondas encerradas en una cápsula viscosa |
Modos de movimiento
Entre las bacterias hay formas móviles e inmóviles. Los móviles se mueven debido a contracciones onduladas o con la ayuda de flagelos (filamentos helicoidales retorcidos), que consisten en una proteína flagelina especial. Puede haber uno o varios flagelos. Se encuentran en algunas bacterias en un extremo de la célula, en otros, en dos o en toda la superficie.
Pero el movimiento es inherente a muchas otras bacterias, que carecen de flagelos. Entonces, las bacterias cubiertas de moco en el exterior son capaces de deslizarse.
Algunas bacterias acuáticas y del suelo desprovistas de flagelos tienen vacuolas de gas en el citoplasma. Puede haber 40-60 vacuolas en una celda. Cada uno de ellos está lleno de gas (presumiblemente nitrógeno). Al regular la cantidad de gas en las vacuolas, las bacterias acuáticas pueden sumergirse en la columna de agua o subir a su superficie, y las bacterias del suelo pueden moverse en los capilares del suelo.
Habitat
Debido a la simplicidad de la organización y la sencillez, las bacterias están muy extendidas en la naturaleza. Las bacterias se encuentran en todas partes: en una gota incluso del agua de manantial más pura, en granos de tierra, en el aire, en las rocas, en las nieves polares, en las arenas del desierto, en el fondo del océano, en el aceite extraído de grandes profundidades e incluso en aguas termales. con una temperatura de unos 80 ° C. Viven en plantas, frutas, en varios animales y en humanos en los intestinos, la cavidad bucal, en las extremidades, en la superficie del cuerpo.
Las bacterias son los seres vivos más pequeños y numerosos. Debido a su pequeño tamaño, penetran fácilmente en cualquier grieta, hendidura o poro. Son muy resistentes y se adaptan a diversas condiciones de existencia. Toleran el secado, el frío extremo, el calentamiento hasta 90 ° C, sin perder su viabilidad.
Prácticamente no hay lugar en la Tierra donde no se encuentren bacterias, sino en diferentes cantidades. Las condiciones de vida de las bacterias son diversas. Uno de ellos necesita oxígeno en el aire, otros no lo necesitan y pueden vivir en un ambiente libre de oxígeno.
En el aire: las bacterias se elevan hasta 30 km hacia la atmósfera superior. y más.
Especialmente hay muchos de ellos en el suelo. Un año de suelo puede contener cientos de millones de bacterias.
En agua: en las capas superficiales de agua en depósitos abiertos. Las bacterias acuáticas beneficiosas mineralizan los residuos orgánicos.
En organismos vivos: las bacterias patógenas ingresan al cuerpo desde el ambiente externo, pero solo en condiciones favorables causan enfermedades. Simbiótico vive en los órganos digestivos, ayudando a descomponer y asimilar los alimentos y sintetizar las vitaminas.
Estructura externa
La célula bacteriana está vestida con una membrana densa especial: la pared celular, que realiza funciones protectoras y de apoyo, y también le da a las bacterias una forma característica permanente. La pared celular de una bacteria se parece a la membrana de una célula vegetal. Es permeable: a través de él, los nutrientes pasan libremente a la célula y los productos metabólicos salen al medio ambiente. A menudo, las bacterias desarrollan una capa protectora adicional de moco, una cápsula, en la parte superior de la pared celular. El grosor de la cápsula puede ser muchas veces mayor que el diámetro de la propia celda, pero puede ser muy pequeño. La cápsula no es una parte obligatoria de la célula, se forma en función de las condiciones en las que entran las bacterias. Evita que las bacterias se sequen.
En la superficie de algunas bacterias hay flagelos largos (uno, dos o muchos) o vellosidades cortas y delgadas. La longitud de los flagelos puede ser muchas veces mayor que las dimensiones del cuerpo bacteriano. Con la ayuda de flagelos y vellosidades, las bacterias se mueven.
Estructura interna
Dentro de la célula bacteriana hay un citoplasma denso e inmóvil. Tiene una estructura en capas, no hay vacuolas, por lo tanto, varias proteínas (enzimas) y nutrientes de reserva se encuentran en la propia sustancia del citoplasma. Las células bacterianas no tienen núcleo. En la parte central de sus células se concentra una sustancia que porta información hereditaria. Bacterias, - ácido nucleico - ADN. Pero esta sustancia no se forma en un núcleo.
La organización interna de una célula bacteriana es compleja y tiene sus propias características específicas. El citoplasma está separado de la pared celular por la membrana citoplasmática. En el citoplasma, una sustancia básica o matriz, se distinguen los ribosomas y una pequeña cantidad de estructuras de membrana que realizan una variedad de funciones (análogos de las mitocondrias, retículo endoplásmico, aparato de Golgi). El citoplasma de las células bacterianas a menudo contiene gránulos de diversas formas y tamaños. Los gránulos pueden estar compuestos por compuestos que sirven como fuente de energía y carbono. Las gotas de grasa también se encuentran en la célula bacteriana.
En la parte central de la célula, se localiza una sustancia nuclear: el ADN, no delimitado del citoplasma por una membrana. Este es un análogo del núcleo, un nucleoide. El nucleoide no tiene membrana, nucleolo y un conjunto de cromosomas.
Comidas
Las bacterias tienen diferentes formas de alimentarse. Entre ellos se encuentran autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos son organismos que pueden formar de forma independiente materia orgánica para su nutrición.
Las plantas necesitan nitrógeno, pero ellas mismas no pueden asimilar el nitrógeno del aire. Algunas bacterias combinan moléculas de nitrógeno en el aire con otras moléculas para poner sustancias a disposición de las plantas.
Estas bacterias se instalan en las células de las raíces jóvenes, lo que da como resultado un engrosamiento llamado nódulos en las raíces. Estos nódulos se forman en las raíces de plantas de la familia de las leguminosas y algunas otras plantas.
Las raíces proporcionan carbohidratos a las bacterias y las bacterias proporcionan a las raíces sustancias que contienen nitrógeno que pueden ser absorbidas por la planta. Su convivencia es mutuamente beneficiosa.
Las raíces de las plantas secretan muchas sustancias orgánicas (azúcares, aminoácidos y otras) de las que se alimentan las bacterias. Por lo tanto, una gran cantidad de bacterias se asienta en la capa de suelo que rodea las raíces. Estas bacterias convierten los residuos de plantas muertas en sustancias disponibles para la planta. Esta capa de suelo se llama rizosfera.
Existen varias hipótesis sobre la penetración de bacterias nódulos en el tejido radicular:
- por daño al tejido epidérmico y cortical;
- a través de los pelos de la raíz;
- solo a través de la membrana celular joven;
- gracias a las bacterias satélites que producen enzimas pectinolíticas;
- estimulando la síntesis de ácido B-indolacético a partir del triptófano, que siempre está presente en las secreciones radiculares de las plantas.
El proceso de introducción de bacterias nódulos en el tejido de la raíz consta de dos fases:
- infección del pelo de la raíz;
- el proceso de formación de nódulos.
En la mayoría de los casos, la célula invadida se multiplica activamente, forma los llamados filamentos infecciosos y, ya en forma de tales filamentos, se mueve hacia el tejido vegetal. Las bacterias de los nódulos liberadas por el hilo de la infección continúan multiplicándose en el tejido del huésped.
Las células vegetales llenas de células de bacterias nódulos que se multiplican rápidamente comienzan a dividirse rápidamente. La conexión de un nódulo joven con la raíz de una leguminosa se realiza gracias a los haces vasculares-fibrosos. Durante el período de funcionamiento, los nódulos suelen ser densos. En el momento de la manifestación de la actividad óptima, los nódulos adquieren un color rosado (debido al pigmento leghemoglobina). Solo las bacterias que contienen leghemoglobina son capaces de fijar nitrógeno.
Las bacterias de los nódulos crean decenas y cientos de kilogramos de fertilizantes nitrogenados por hectárea de suelo.
Metabolismo
Las bacterias se diferencian entre sí en su metabolismo. En algunos, va con la participación del oxígeno, en otros, sin su participación.
La mayoría de las bacterias se alimentan de materia orgánica preparada. Solo algunos de ellos (azul verdoso o cianobacterias) son capaces de crear sustancias orgánicas a partir de sustancias inorgánicas. Desempeñaron un papel importante en la acumulación de oxígeno en la atmósfera terrestre.
Las bacterias absorben sustancias del exterior, desgarran sus moléculas, de estas partes recogen su caparazón y reponen su contenido (así es como crecen), y se eliminan las moléculas innecesarias. La cáscara y la membrana de la bacteria le permiten absorber solo las sustancias necesarias.
Si el caparazón y la membrana de las bacterias fueran completamente impermeables, ninguna sustancia entraría en la célula. Si fueran permeables a todas las sustancias, el contenido de la célula se mezclaría con el medio ambiente, la solución en la que vive la bacteria. Para la supervivencia de las bacterias, se necesita un caparazón que permita el paso de las sustancias necesarias, pero no las innecesarias.
La bacteria absorbe nutrientes en su vecindad. ¿Qué pasa después? Si puede moverse de forma independiente (moviendo el flagelo o empujando el moco hacia atrás), entonces se mueve hasta que encuentra las sustancias necesarias.
Si no puede moverse, espera hasta que la difusión (la capacidad de las moléculas de una sustancia para penetrar en medio de las moléculas de otra sustancia) le traiga las moléculas necesarias.
Las bacterias, junto con otros grupos de microorganismos, realizan una enorme cantidad de trabajo químico. Al transformar varios compuestos, reciben la energía y los nutrientes necesarios para su vida. Los procesos metabólicos, los métodos de obtención de energía y la necesidad de materiales para construir sustancias en sus cuerpos son variados en las bacterias.
Otras bacterias satisfacen todos los requisitos de carbono, necesarios para la síntesis de sustancias orgánicas en el cuerpo, a expensas de los compuestos inorgánicos. Se llaman autótrofos. Las bacterias autótrofas son capaces de sintetizar sustancias orgánicas a partir de inorgánicas. Entre ellos se distinguen:
Quimiosíntesis
El uso de energía radiante es la forma más importante, pero no la única, de crear materia orgánica a partir de dióxido de carbono y agua. Se sabe que las bacterias no utilizan la luz solar como fuente de energía para dicha síntesis, sino la energía de los enlaces químicos que se producen en las células de los organismos durante la oxidación de ciertos compuestos inorgánicos: sulfuro de hidrógeno, azufre, amoníaco, hidrógeno, ácido nítrico, compuestos ferrosos de hierro y manganeso. Utilizan la materia orgánica formada con el uso de esta energía química para construir las células de su cuerpo. Por lo tanto, este proceso se llama quimiosíntesis.
El grupo más importante de microorganismos quimiosintéticos está formado por bacterias nitrificantes. Estas bacterias viven en el suelo y llevan a cabo la oxidación del amoniaco formado durante la descomposición de los residuos orgánicos en ácido nítrico. Este último, reacciona con compuestos minerales del suelo, se convierte en sales de ácido nítrico. Este proceso tiene lugar en dos fases.
Las bacterias del hierro convierten el hierro ferroso en óxido. El hidróxido de hierro formado se deposita y forma el llamado mineral de hierro de pantano.
Algunos microorganismos existen oxidando el hidrógeno molecular, lo que proporciona una forma autótrofa de alimentación.
Un rasgo característico de las bacterias del hidrógeno es la capacidad de cambiar a un estilo de vida heterótrofo cuando se les proporcionan compuestos orgánicos y en ausencia de hidrógeno.
Por lo tanto, los quimioautótrofos son autótrofos típicos, ya que sintetizan de forma independiente los compuestos orgánicos necesarios a partir de sustancias inorgánicas, y no los toman preparados a partir de otros organismos, como los heterótrofos. Las bacterias quimioautótrofas se diferencian de las plantas fotótrofas por su total independencia de la luz como fuente de energía.
Fotosíntesis bacteriana
Algunas bacterias de azufre que contienen pigmentos (púrpura, verde), que contienen pigmentos específicos, bacterioclorofilas, son capaces de absorber energía solar, con la ayuda de la cual el sulfuro de hidrógeno en sus organismos se descompone y libera átomos de hidrógeno para restaurar los compuestos correspondientes. Este proceso tiene mucho en común con la fotosíntesis y solo se diferencia en que en las bacterias violetas y verdes, el sulfuro de hidrógeno es el donante de hidrógeno (ocasionalmente, ácidos carboxílicos) y en las plantas verdes, el agua. En esos y otros, la eliminación y transferencia de hidrógeno se realiza debido a la energía de los rayos solares absorbidos.
Esta fotosíntesis bacteriana, que tiene lugar sin la liberación de oxígeno, se llama fotorreducción. La fotorreducción de dióxido de carbono está asociada con la transferencia de hidrógeno no del agua, sino del sulfuro de hidrógeno:
6СО 2 + 12Н 2 S + hv → С6Н 12 О 6 + 12S = 6Н 2 О
La importancia biológica de la quimiosíntesis y la fotosíntesis bacteriana a escala planetaria es relativamente pequeña. Solo las bacterias quimiosintéticas juegan un papel esencial en el ciclo del azufre en la naturaleza. Absorbido por las plantas verdes en forma de sales de ácido sulfúrico, el azufre se reduce y forma parte de las moléculas de proteínas. Además, cuando los residuos de plantas y animales muertos son destruidos por bacterias putrefactoras, el azufre se libera en forma de sulfuro de hidrógeno, que es oxidado por bacterias de azufre para liberar azufre (o ácido sulfúrico), que forma sulfitos disponibles para la planta en el suelo. Las bacterias quimio y fotoautótrofas son esenciales en el ciclo del nitrógeno y el azufre.
La formación de esporas
Las esporas se forman dentro de la célula bacteriana. En el proceso de esporulación, una célula bacteriana se somete a una serie de procesos bioquímicos. La cantidad de agua libre en ella disminuye, la actividad enzimática disminuye. Esto asegura la resistencia de las esporas a condiciones ambientales desfavorables (alta temperatura, alta concentración de sal, secado, etc.). La esporulación es característica solo de un pequeño grupo de bacterias.
Las esporas son opcionales en el ciclo de vida de las bacterias. La formación de esporas comienza solo con la falta de nutrientes o la acumulación de productos metabólicos. Las bacterias en forma de esporas pueden permanecer inactivas durante mucho tiempo. Las esporas bacterianas pueden soportar una ebullición prolongada y una congelación muy prolongada. Con el inicio de condiciones favorables, la espora germina y se vuelve viable. La espora bacteriana es una adaptación a la supervivencia en condiciones adversas.
Reproducción
Las bacterias se multiplican al dividir una célula en dos. Habiendo alcanzado un cierto tamaño, la bacteria se divide en dos bacterias idénticas. Luego, cada uno de ellos comienza a alimentarse, crece, se divide, etc.
Después del alargamiento celular, se forma gradualmente un tabique transversal y luego las células hijas divergen; en muchas bacterias, bajo ciertas condiciones, las células después de la división permanecen unidas en grupos característicos. En este caso, según la dirección del plano de división y el número de divisiones, surgen diferentes formas. La reproducción por gemación ocurre en bacterias como una excepción.
En condiciones favorables, la división celular de muchas bacterias se produce cada 20 a 30 minutos. Con una reproducción tan rápida, la descendencia de una bacteria en 5 días puede formar una masa que puede llenar todos los mares y océanos. Un cálculo simple muestra que se pueden formar 72 generaciones en un día (720,000,000,000,000,000,000 de células). Si se traduce en peso - 4720 toneladas. Sin embargo, esto no sucede en la naturaleza, ya que la mayoría de las bacterias mueren rápidamente bajo la influencia de la luz solar, durante el secado, la falta de alimento, el calentamiento a 65-100 ° C, como resultado de la lucha entre especies, etc.
La bacteria (1) que ha absorbido suficiente alimento aumenta de tamaño (2) y comienza a prepararse para la reproducción (división celular). Su ADN (en las bacterias, la molécula de ADN está cerrada en un anillo) se duplica (la bacteria produce una copia de esta molécula). Ambas moléculas de ADN (3,4) resultan estar adheridas a la pared de la bacteria y, cuando las bacterias se alargan, divergen hacia los lados (5,6). Primero se divide el nucleótido, luego el citoplasma.
Después de la divergencia de dos moléculas de ADN, aparece una constricción en la bacteria, que gradualmente divide el cuerpo de la bacteria en dos partes, cada una de las cuales contiene una molécula de ADN (7).
Sucede (en el caso de un bacilo del heno), dos bacterias se unen y se forma un puente entre ellas (1,2).
A través del puente, el ADN se transporta de una bacteria a otra (3). Una vez en una bacteria, las moléculas de ADN se entrelazan, se pegan en algunos lugares (4), después de lo cual intercambian secciones (5).
El papel de las bacterias en la naturaleza.
El ciclo
Las bacterias son el eslabón más importante en la circulación general de sustancias en la naturaleza. Las plantas crean sustancias orgánicas complejas a partir del dióxido de carbono, el agua y las sales minerales del suelo. Estas sustancias regresan al suelo con hongos muertos, plantas y cadáveres de animales. Las bacterias descomponen las sustancias complejas en otras simples, que las plantas vuelven a utilizar.
Las bacterias destruyen la materia orgánica compleja de las plantas muertas y los cadáveres de animales, las excreciones de organismos vivos y diversos productos de desecho. Al alimentarse de estas sustancias orgánicas, las bacterias saprofitas en descomposición las convierten en humus. Son una especie de ordenanzas de nuestro planeta. Por lo tanto, las bacterias participan activamente en el ciclo de sustancias de la naturaleza.
Formación de suelo
Dado que las bacterias están muy extendidas en casi todas partes y se encuentran en grandes cantidades, determinan en gran medida los diversos procesos que tienen lugar en la naturaleza. En otoño, las hojas de los árboles y los arbustos caen, los brotes aéreos de las hierbas mueren, las ramas viejas se caen y, de vez en cuando, caen los troncos de los árboles viejos. Todo esto se convierte gradualmente en humus. En 1 cm 3. La capa superficial del suelo forestal contiene cientos de millones de bacterias saprofitas del suelo de varias especies. Estas bacterias convierten el humus en varios minerales que las raíces de las plantas pueden absorber del suelo.
Algunas bacterias del suelo pueden absorber nitrógeno del aire, utilizándolo en los procesos de la vida. Estas bacterias fijadoras de nitrógeno viven de forma independiente o se asientan en las raíces de las leguminosas. Habiendo penetrado las raíces de las leguminosas, estas bacterias provocan el crecimiento de las células de las raíces y la formación de nódulos en ellas.
Estas bacterias liberan compuestos nitrogenados que utilizan las plantas. Las bacterias reciben carbohidratos y sales minerales de las plantas. Por lo tanto, existe una estrecha relación entre la planta leguminosa y las bacterias nódulos, lo que es beneficioso tanto para uno como para el otro organismo. Este fenómeno se llama simbiosis.
Gracias a su simbiosis con las bacterias de los nódulos, las leguminosas enriquecen el suelo con nitrógeno, lo que ayuda a aumentar el rendimiento.
Distribución en la naturaleza
Los microorganismos son ubicuos. Las únicas excepciones son los cráteres de volcanes activos y pequeñas áreas en los epicentros de las bombas atómicas explotadas. Ni las bajas temperaturas de la Antártida, ni los chorros hirvientes de los géiseres, ni las soluciones saturadas de sales en los charcos de sal, ni la fuerte insolación de los picos de las montañas, ni la severa irradiación de los reactores nucleares, interfieren con la existencia y desarrollo de la microflora. Todos los seres vivos interactúan constantemente con los microorganismos, siendo a menudo no solo sus repositorios, sino también distribuidores. Los microorganismos son los aborígenes de nuestro planeta, asimilando activamente los sustratos naturales más increíbles.
Microflora del suelo
La cantidad de bacterias en el suelo es extremadamente alta: cientos de millones y miles de millones de individuos por gramo. Hay muchos más en el suelo que en el agua y el aire. El número total de bacterias en los suelos varía. La cantidad de bacterias depende del tipo de suelo, su condición, la profundidad de las capas.
En la superficie de las partículas del suelo, los microorganismos se encuentran en pequeñas microcolonias (20-100 células en cada una). A menudo se desarrollan en gruesos coágulos de materia orgánica, en raíces de plantas vivas y moribundas, en capilares delgados y en bultos internos.
La microflora del suelo es muy diversa. Existen diferentes grupos fisiológicos de bacterias: bacterias en descomposición, nitrificantes, fijadoras de nitrógeno, bacterias azufradas, etc. entre ellas hay aerobios y anaerobios, formas de esporas y no esporas. La microflora es uno de los factores de formación del suelo.
El área de desarrollo de microorganismos en el suelo es el área adyacente a las raíces de las plantas vivas. Se llama rizosfera y el conjunto de microorganismos que contiene se llama microflora de la rizosfera.
Microflora de embalses
El agua es un entorno natural donde los microorganismos crecen en grandes cantidades. La mayoría de ellos ingresan al agua desde el suelo. Un factor que determina la cantidad de bacterias en el agua, la presencia de nutrientes en ella. Los más limpios son los pozos artesianos y las aguas de manantial. Los embalses abiertos y los ríos son muy ricos en bacterias. La mayor cantidad de bacterias se encuentra en las capas superficiales del agua, más cerca de la costa. Con el aumento de la distancia de la costa y el aumento de la profundidad, el número de bacterias disminuye.
El agua pura contiene 100-200 bacterias en 1 ml. Y agua contaminada: 100-300 mil y más. Hay muchas bacterias en el lodo del fondo, especialmente en la capa superficial, donde las bacterias forman una película. Esta película contiene una gran cantidad de bacterias de azufre y hierro, que oxidan el sulfuro de hidrógeno a ácido sulfúrico y, por lo tanto, evitan la muerte de los peces. El limo contiene más formas portadoras de esporas, mientras que las formas no portadoras de esporas prevalecen en el agua.
En términos de composición de especies, la microflora del agua es similar a la del suelo, pero también existen formas específicas. Destruyendo diversos desechos que han llegado al agua, los microorganismos llevan a cabo gradualmente la denominada depuración biológica del agua.
Microflora del aire
La microflora del aire es menos abundante que la microflora del suelo y el agua. Las bacterias se elevan al aire con polvo, pueden permanecer allí durante algún tiempo y luego asentarse en la superficie de la tierra y morir por falta de nutrición o bajo la influencia de los rayos ultravioleta. La cantidad de microorganismos en el aire depende de la zona geográfica, el terreno, la estación, la contaminación del polvo, etc. Cada mota de polvo es portadora de microorganismos. La mayoría de las bacterias se encuentran en el aire por encima de las plantas industriales. El aire en el campo es más limpio. El aire más limpio sobre bosques, montañas, espacios nevados. Las capas superiores del aire contienen menos gérmenes. La microflora del aire contiene muchas bacterias pigmentadas y portadoras de esporas, que son más resistentes que otras a los rayos ultravioleta.
Microflora del cuerpo humano
El cuerpo humano, incluso uno completamente sano, es siempre un portador de microflora. Cuando el cuerpo de una persona entra en contacto con el aire y el suelo, varios microorganismos se depositan en la ropa y la piel, incluidos los patógenos (varillas antitetánicas, gangrena gaseosa, etc.). Muy a menudo, las partes expuestas del cuerpo humano están contaminadas. Escherichia coli, estafilococos se encuentran en las manos. Hay más de 100 tipos de microbios en la cavidad bucal. La boca con su temperatura, humedad, residuos de nutrientes es un excelente ambiente para el desarrollo de microorganismos.
El estómago tiene una reacción ácida, por lo que muere la mayor parte de los microorganismos que contiene. Comenzando en el intestino delgado, la reacción se vuelve alcalina, es decir amigable con los microbios. En el colon, la microflora es muy diversa. Cada adulto excreta alrededor de 18 mil millones de bacterias todos los días, es decir, más individuos que personas en el mundo.
Los órganos internos que no se conectan con el entorno externo (cerebro, corazón, hígado, vejiga, etc.) suelen estar libres de microbios. Los microbios ingresan a estos órganos solo durante la enfermedad.
Bacterias en el ciclo
Los microorganismos en general y las bacterias en particular juegan un papel importante en los ciclos biológicamente importantes de sustancias en la Tierra, llevando a cabo transformaciones químicas que son completamente inaccesibles tanto para las plantas como para los animales. Las diferentes etapas del ciclo de los elementos son llevadas a cabo por organismos de diferentes tipos. La existencia de cada grupo individual de organismos depende de la transformación química de elementos llevada a cabo por otros grupos.
El ciclo del nitrógeno
La transformación cíclica de compuestos nitrogenados juega un papel primordial en el suministro de las formas necesarias de nitrógeno a los organismos de la biosfera para diferentes necesidades nutricionales. Más del 90% de la fijación total de nitrógeno se debe a la actividad metabólica de determinadas bacterias.
El ciclo del carbono
La transformación biológica del carbono orgánico en dióxido de carbono, acompañada de la reducción del oxígeno molecular, requiere la actividad metabólica conjunta de varios microorganismos. Muchas bacterias aeróbicas realizan una oxidación completa de la materia orgánica. En condiciones aeróbicas, los compuestos orgánicos se degradan inicialmente por fermentación y los productos orgánicos finales de la fermentación se oxidan aún más como resultado de la respiración anaeróbica, si hay aceptores de hidrógeno inorgánico (nitrato, sulfato o CO 2).
El ciclo del azufre
El azufre está disponible para los organismos vivos principalmente en forma de sulfatos solubles o compuestos orgánicos reducidos de azufre.
Ciclo de hierro
Algunos cuerpos de agua dulce contienen sales de hierro reducidas en altas concentraciones. En tales lugares, se desarrolla una microflora bacteriana específica: bacterias de hierro que oxidan el hierro reducido. Participan en la formación de minerales de hierro de los pantanos y fuentes de agua ricas en sales de hierro.
Las bacterias son los organismos más antiguos, aparecieron hace unos 3.500 millones de años en el Arcaico. Durante aproximadamente 2.5 mil millones de años, dominaron la Tierra, formando la biosfera, participaron en la formación de una atmósfera de oxígeno.
Las bacterias son uno de los organismos vivos más simples (además de los virus). Se cree que fueron los primeros organismos que aparecieron en la Tierra.
Creo que oíste hablar de las bacterias en la escuela. Son criaturas tan pequeñas, que están en todas partes en la oscuridad y sin las cuales no podríamos existir. Entonces, resulta que entre ellos hay gigantes y enanos. Además, ¡el más grande de ellos tiene el tamaño de una montaña en comparación con el resto! Esta bacteria gigante se llama Epulopiscium. En tamaño (hasta 0,5 mm), se puede comparar con un grano de sal, un tamaño enorme en el mundo de las criaturas microscópicas. Incluso se la puede ver a simple vista. Este animal puede alcanzar el tamaño de pequeños insectos y crustáceos.
Se han realizado y publicado investigaciones en Cornwell Academy para determinar las causas de un tamaño tan grande. Resultó que esta bacteria almacena hasta 85 mil copias de ADN. A modo de comparación, las células humanas contienen un máximo de 3 copias. Esta linda criatura vive con la ayuda de la simbiosis en el tracto digestivo de un pez cirujano (pez de arrecife tropical). Fue descubierto en 1985.
“Otras bacterias también contienen muchas copias de ADN, pero su número no es más de 100-200. Pero este tiene un banco completo de su información genética ”, dice Asher Angert, profesor de microbiología en la Universidad de Cornwell.
Las bacterias comunes son muy pequeñas y de estructura simple. Carecen de órganos (llamados orgánulos en las células) que promuevan el crecimiento celular, como las células vegetales o animales. Las bacterias se alimentan de la absorción de nutrientes a través de la membrana celular. En el interior, los nutrientes se distribuyen "autopropulsados", por lo que las bacterias se ven obligadas a ser pequeñas, de lo contrario los nutrientes no podrán esparcirse por todo su volumen.
Pero la bacteria gigante antes mencionada autocopia su ADN muchas veces y distribuye copias de manera uniforme cerca del caparazón para que reciban nutrientes rápidamente y en un volumen suficiente.
“Tener miles de copias de ADN distribuidas por la periferia permite responder instantáneamente a factores externos: temperatura, irritación y otros”, agrega Escher Angert. Por lo tanto, a pesar de su gran tamaño, esta bacteria reacciona instantáneamente a los ataques de los depredadores en su mundo, de los cuales hay muchos en el tracto digestivo de los peces. Otra característica es una forma especial de dividir. La mayoría de las bacterias simplemente se dividen en 2 partes, pero Epulopiscium desarrolla dos células hijas en su interior, las cuales, después de su muerte, salen al exterior.
¡Pero resulta que hay bacterias aún más grandes! En 1999 se descubrió una especie aún más grande, Thiomargarita namibiensis. Alcanza un tamaño de 0,75 mm. Esta creación se alimenta de nitratos, sintetizando a partir de ellos sustancias orgánicas. Estos gigantes viven en la costa de Namibia, y algunos de sus parientes lejanos, en las aguas del Golfo de México.
Las bacterias son los organismos celulares más pequeños, solo los virus son más pequeños. Una bacteria común es 10 veces más pequeña que una célula humana, con un tamaño de 0,5 a 5,0 micrómetros (esto solo se puede ver con un microscopio). Se encuentran miles de bacterias de decenas de especies, por ejemplo, en una gota de saliva. Un gramo de suelo contiene alrededor de 40 millones de bacterias, y en la gota más pequeña de agua cruda también hay millones de bacterias. El planeta contiene (aproximadamente, por supuesto) 5,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 de bacterias (30 ceros). Son la forma de vida más común y se encuentran en todas partes, desde el fondo del océano hasta la nieve alpina.
PD. La foto muestra a la heroína del artículo. Las otras bacterias en esta foto aparecen como pequeños puntos sutiles alrededor.
La vida en nuestro planeta comenzó con bacterias. Los científicos creen que todo terminará con ellos. Hay una broma de que cuando los extraterrestres estudiaron la Tierra, no pudieron entender quién es su verdadero maestro: un humano o un bacilo. Los datos más interesantes sobre las bacterias se resumen a continuación.
Una bacteria es un organismo separado que se multiplica por fisión. Cuanto más favorable es el hábitat, antes se divide. Estos microorganismos viven en todos los seres vivos, así como en el agua, los alimentos, los árboles podridos y las plantas.
La lista no se limita a esto. Los bacilos sobreviven perfectamente en los objetos que una persona toca. Por ejemplo, en un pasamanos en el transporte público, en el asa de un frigorífico, en la punta de un lápiz. Recientemente, la Universidad de Arizona descubrió datos interesantes sobre las bacterias. Según sus observaciones, los microorganismos "inactivos" viven en Marte. Los científicos confían en que esta es una de las pruebas de la existencia de vida en otros planetas, además, en su opinión, las bacterias alienígenas pueden ser "revividas" en la Tierra.
Por primera vez, el científico holandés Anthony van Leeuwenhoek examinó el microorganismo en un microscopio óptico a finales del siglo XVII. Actualmente, hay alrededor de dos mil especies conocidas de bacilos. Todos ellos se pueden dividir a grandes rasgos en:
- dañino;
- útil;
- neutral.
Al mismo tiempo, los dañinos suelen pelear con los útiles y neutrales. Esta es una de las razones más comunes por las que una persona está enferma.
Los hechos mas curiosos
En general, los organismos unicelulares están involucrados en todos los procesos de la vida.
Bacterias y humanos
Desde el nacimiento, una persona ingresa a un mundo lleno de diversos microorganismos. Algunos lo ayudan a sobrevivir, otros le provocan infecciones y enfermedades.
Los datos interesantes más curiosos sobre bacterias y humanos:
Resulta que el bacilo puede curar completamente a una persona y destruir nuestra especie. Las toxinas bacterianas ya existen.
¿Cómo nos ayudaron las bacterias a sobrevivir?
Aquí hay algunos datos más interesantes sobre las bacterias que benefician a los humanos:
- algunos tipos de bacilos protegen a una persona de las alergias;
- las bacterias se pueden utilizar para eliminar desechos peligrosos (por ejemplo, productos derivados del petróleo);
- sin microorganismos en los intestinos, una persona no habría sobrevivido.
¿Cómo informar a los bebés sobre los bacilos?
Los bebés están listos para hablar sobre los bacilos desde los 3-4 años. Para transmitir la información correctamente, vale la pena contar datos interesantes sobre las bacterias. Para los niños, por ejemplo, es muy importante comprender que existen microbios buenos y malos. Que los buenos sean capaces de convertir la leche en leche horneada fermentada. Y también que ayudan al estómago a digerir los alimentos.
Se debe prestar atención a las bacterias malignas. Dígales que son muy pequeños, para que no pueda verlos. Que, al entrar en el cuerpo humano, los microbios se convierten rápidamente en muchos, y comienzan a comernos desde adentro.
El niño debe saber que el microbio maligno no ingresa al cuerpo, es necesario:
- Lávese las manos después de estar al aire libre y antes de comer.
- No comas muchos dulces.
- Vacúnate.
La mejor forma de mostrar las bacterias es a través de imágenes y enciclopedias.
¿Qué debe saber todo estudiante?
Es mejor hablar con un niño mayor no sobre microbios, sino sobre bacterias. Es importante discutir hechos interesantes para los escolares. Es decir, hablando de la importancia de lavarse las manos, se puede decir que en las manijas de los inodoros viven 340 colonias de bacilos dañinos.
Pueden encontrar información sobre las bacterias que causan la caries dental. Y también dígale al alumno que el chocolate en pequeñas cantidades tiene un efecto antibacteriano.
Incluso un estudiante de escuela primaria podrá comprender qué es una vacuna. Esto es cuando una pequeña cantidad de un virus o bacteria se introduce en el cuerpo y el sistema inmunológico los derrota. Por eso, es muy importante vacunarse.
Ya desde la infancia, debería llegar la comprensión de que el país de las bacterias es un mundo entero que aún no se ha explorado por completo. Y mientras existan estos microorganismos, existe la propia especie humana.
Intentos de secuenciar el genoma de una bacteria de azufre gigante Achromatium oxaliferum dio un resultado paradójico: resultó que cada célula bacteriana contiene no uno, sino muchos genomas diferentes. Nivel de diversidad genética intracelular A. oxaliferum comparable a la diversidad de la comunidad bacteriana multiespecífica. Aparentemente, diferentes cromosomas se multiplican en diferentes partes del citoplasma, divididos por grandes inclusiones de calcita en muchos compartimentos que se comunican mal (compartimentos). Numerosos elementos genéticos móviles que facilitan la transferencia de genes de un cromosoma a otro desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la diversidad genética interna. Los autores del descubrimiento sugieren que la selección natural en este organismo único tiene lugar no tanto a nivel de células como a nivel de compartimentos individuales dentro de una célula gigante.
1. Bacterias misteriosas
Bacterias gigantes de azufre Achromatium oxaliferum fue descubierto en el siglo XIX, pero su biología sigue siendo un misterio, en gran parte porque el acromatio no se puede cultivar en un laboratorio. Las células de acromatio pueden alcanzar 0,125 mm de longitud, lo que la convierte en la bacteria de agua dulce más grande (hay bacterias de azufre aún más grandes en los mares, como Thiomargarita, que se describe en las noticias ¿Los primeros embriones precámbricos resultaron ser bacterias? , "Elementos", 15.01.2007).
Achromatium oxaliferum vive en los sedimentos del fondo de los lagos de agua dulce, donde generalmente se encuentra en el borde de las zonas anóxicas y de oxígeno, pero también penetra en capas completamente anóxicas. Otras variedades (o especies) de acromatium viven en manantiales minerales y en los sedimentos salinos de las marismas.
El acromatio recibe energía debido a la oxidación del sulfuro de hidrógeno, primero en azufre (que se almacena en forma de gránulos en el citoplasma) y luego en sulfatos. Es capaz de fijar carbono inorgánico, pero también puede asimilar compuestos orgánicos. No está claro si solo puede hacerlo con el metabolismo autótrofo o si necesita alimentación orgánica.
Una característica única del acromatio es la presencia en sus células de numerosas inclusiones grandes de calcita coloidal (Fig. 1). No se sabe exactamente por qué las bacterias necesitan esto y qué papel juega el carbonato de calcio en su metabolismo, aunque existen hipótesis plausibles (V. Salman et al., 2015. Bacterias de azufre grandes que acumulan calcita del género Acromatio en Sippewissett Salt Marsh).
El citoplasma del acromatio se apiña en los espacios entre los gránulos de calcita, que en realidad lo dividen en muchos compartimentos comunicantes (compartimentos). Aunque los compartimentos no están completamente aislados, el intercambio de materia entre ellos parece ser difícil, especialmente porque los sistemas de transporte intracelular activo son mucho más débiles en procariotas que en eucariotas.
Y ahora resultó que los gránulos de calcita no son la única característica única del acromatio. Y ni siquiera el más llamativo. En un artículo publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza, Biólogos alemanes y británicos informaron resultados paradójicos de los intentos de leer los genomas de células individuales A. oxaliferum de los sedimentos del fondo del lago Stechlin en el noreste de Alemania. Estos resultados son tan inusuales que es difícil creer en ellos, aunque aparentemente no hay razón para dudar de su fiabilidad: el trabajo se hizo metodológicamente con mucho cuidado.
2. Confirmación de poliploidía
Aunque el acromatio, como ya se mencionó, se refiere a bacterias no cultivadas, este inconveniente se compensa en parte por el tamaño de las células gigantes. Son claramente visibles bajo un microscopio óptico incluso con aumentos bajos, y se pueden tomar manualmente de muestras de sedimentos (previamente pasados a través de un filtro para eliminar partículas grandes). Así es como los autores recopilaron material para su investigación. Células A. oxaliferum cubierto con una cubierta orgánica, en la superficie de la cual una variedad de cohabitantes, pequeñas bacterias, pululan. Los autores lavaron cuidadosamente toda esta microbiota acompañante de las células seleccionadas para reducir la proporción de ADN extraño en las muestras.
Para empezar, los investigadores teñieron las células de acromatium con un tinte fluorescente especial para el ADN para comprender cuánto material genético hay en la célula y cómo se distribuye. Resultó que las moléculas de ADN no se limitan a ninguna parte del citoplasma, sino que forman muchas (en promedio, unas 200 por célula) acumulaciones locales en los espacios entre los gránulos de calcita (Fig. 1, b, d).
Teniendo en cuenta todo lo que se sabe hasta la fecha sobre las bacterias de gran tamaño y su organización genética, este hecho ya es suficiente para considerar comprobado que A. oxaliferum es un poliploide, es decir, cada una de sus células contiene no una, sino muchas copias del genoma.
Sin embargo, en retrospectiva, ya está claro que una célula procariota tan grande no podría funcionar con una sola copia. Simplemente no sería suficiente proporcionar a toda la célula las transcripciones necesarias para la síntesis de proteínas.
A juzgar por el hecho de que los grupos de ADN difieren en el brillo de la fluorescencia, lo más probable es que estos grupos contengan un número diferente de cromosomas. Aquí es necesario hacer una reserva de que, por lo general, todo el genoma de una célula procariota se coloca en un cromosoma en anillo. En el caso del acromatium, esto no se ha probado, pero es muy probable. Por tanto, en aras de la simplicidad, los autores utilizan el término "cromosoma" como sinónimo del término "una copia del genoma", y nosotros haremos lo mismo.
En esta etapa, aún no se ha descubierto nada sensacional. Atrás quedaron los días en que todo el mundo pensaba que los procariotas siempre, o casi siempre, tenían un solo cromosoma en anillo en cada célula. Hoy en día, ya se conocen muchas especies de bacterias poliploides y arqueas (ver, "Elementos", 14/06/2016).
3. Metagenoma de una comunidad de varias especies, en una sola célula
Los milagros comenzaron cuando los autores comenzaron a extraer ADN de células seleccionadas y lavadas y a secuenciar. A partir de 10.000 células, se obtuvo un metagenoma (ver Metagenómica), es decir, muchos (alrededor de 96 millones) fragmentos aleatorios de secuencia corta de cromosomas (lecturas) pertenecientes a diferentes individuos y que colectivamente dan una idea de la diversidad genética de una población.
Luego, los investigadores se dispusieron a secuenciar el ADN de las células individuales. En primer lugar, se aislaron fragmentos del gen 16s-rRNA de 27 células, por lo que se acostumbra clasificar a los procariotas y por lo que suele determinarse la presencia de uno u otro tipo de microbios en la muestra analizada. Casi todos los fragmentos aislados pertenecían al acromatio (es decir, coincidían aproximadamente con las secuencias de ARNr 16 del acromatio ya disponibles en las bases de datos genéticas). De esto se deduce que el ADN estudiado no estaba contaminado con el material genético de ninguna bacteria extraña.
Resultó que cada celda A. oxaliferum, a diferencia de la gran mayoría de otros procariotas, contiene no una, sino varias variantes (alelos) diferentes del gen del ARNr 16s. Es difícil determinar el número exacto de variantes, porque las pequeñas diferencias pueden explicarse por errores de secuenciación, y si solo fragmentos muy diferentes se consideran "diferentes", surge la pregunta: cuánto deberían diferir mucho. Utilizando los criterios más estrictos, resultó que cada célula contiene aproximadamente 4-8 alelos diferentes del gen rRNA 16s, y esta es la estimación mínima, pero en realidad es muy probable que haya más de ellos. Esto contrasta marcadamente con la situación típica de otros procariotas poliploides que, por regla general, tienen la misma variante de este gen en todos los cromosomas de una célula.
Además, resultó que los alelos del gen 16s-rRNA presentes en la misma célula A. oxaliferum, a menudo forman ramas que están muy distantes entre sí en el árbol genealógico común de todas las variantes de este gen que se encuentran (antes y ahora) en A. oxaliferum. En otras palabras, los alelos de ARNr 16s de una célula no están más relacionados entre sí que los alelos tomados al azar de diferentes células.
Finalmente, los autores realizaron una secuenciación total del ADN de seis células individuales. Para cada celda, se leyeron - leyeron aproximadamente 12 millones de fragmentos aleatorios. En una situación normal, esto sería más que suficiente para utilizar programas informáticos especiales para recopilar de las lecturas, utilizando sus partes superpuestas, seis genomas individuales de muy alta calidad (es decir, leídos con una cobertura muy alta, ver Cobertura).
Pero ese no fue el caso: aunque casi todas las lecturas pertenecían indudablemente al achromatiium (la mezcla de ADN extraño era insignificante), los fragmentos leídos se negaron rotundamente a ser ensamblados en genomas. Un análisis más detallado aclaró la razón del fracaso: resultó que los fragmentos de ADN aislados de cada célula, de hecho, no pertenecen a uno, sino a muchos genomas bastante diferentes. De hecho, lo que los autores obtuvieron de cada célula individual no es un genoma, sino metagenom. Estos conjuntos de lecturas generalmente se obtienen al analizar no un organismo, sino una población completa, que también tiene un alto nivel de diversidad genética.
Este hallazgo ha sido validado de varias formas independientes. En particular, se conocen decenas de genes que casi siempre están presentes en los genomas bacterianos en una sola copia (genes marcadores de una sola copia). Estos genes marcadores de copia única se utilizan ampliamente en bioinformática para comprobar la calidad del ensamblaje del genoma, estimar el número de especies en sondas metagenómicas y otras tareas similares. Entonces, en los genomas (o "metagenomas") de células individuales A. oxaliferum la mayoría de estos genes están presentes en varias copias distintas. Como en el caso del ARNr 16s, los alelos de estos genes de copia única ubicados en la misma célula, por regla general, no están más relacionados entre sí que los alelos de diferentes células. Se encontró que el nivel de diversidad genética intracelular era comparable al nivel de diversidad de toda la población, estimado sobre la base del metagenoma de 10.000 células.
La metagenómica moderna ya tiene métodos que permiten aislar fragmentos que probablemente pertenezcan al mismo genoma de la multitud de fragmentos heterogéneos de ADN encontrados en una muestra. Si hay suficientes fragmentos de este tipo, a partir de ellos se puede ensamblar una parte significativa del genoma e incluso el genoma completo. De esta forma, recientemente se descubrió y caracterizó en detalle un nuevo supertipo de Archaea, Asgardarhea (ver. Se describe un nuevo supertipo de Archaea, al que pertenecen los ancestros de los eucariotas, "Elementos", 16/01/2017). Los autores aplicaron estos métodos a los "metagenomas" de células individuales. A. oxaliferum. Esto hizo posible identificar en cada "metagenoma" 3-5 conjuntos de fragmentos genéticos correspondientes, muy probablemente, a genomas circulares individuales (cromosomas). O más bien, cada uno de estos conjuntos corresponde a un grupo completo de genomas similares. La cantidad de genomas diferentes en cada célula. A. oxaliferum muy probablemente más de 3-5.
El nivel de diferencia entre los genomas presentes en la misma célula. A. oxaliferum, corresponde aproximadamente a las interespecies: las bacterias con tal nivel de diferencias, por regla general, pertenecen a diferentes especies del mismo género. En otras palabras, la diversidad genética presente en cada célula. A. oxaliferum, comparable ni siquiera con una población, sino con una comunidad de múltiples especies. Si el ADN de una sola célula de acromatium se analizara "a ciegas" mediante métodos modernos de metagenómica, sin saber que todo este ADN proviene de una célula, entonces el análisis demostraría inequívocamente que varios tipos de bacterias están presentes en la muestra.
4. Transferencia de genes intracelular
Asi tener A. oxaliferum descubrió un tipo de organización genética fundamentalmente nueva y absolutamente desconocida. Sin lugar a dudas, el descubrimiento plantea muchas preguntas y, en primer lugar, la pregunta "¿cómo puede ser esto siquiera?"
No vamos a considerar la opción menos interesante, que es que todo esto es el resultado de graves errores cometidos por los investigadores. Si es así, pronto lo sabremos: Comunicaciones de la naturaleza- la revista es seria, otros equipos querrán repetir el estudio, por lo que es poco probable que una refutación tarde mucho. Es mucho más interesante discutir la situación asumiendo que la investigación se ha realizado a fondo y el resultado es confiable.
En este caso, primero debe intentar averiguar las razones de lo que se encontró en A. oxaliferum diversidad genética intracelular sin precedentes: cómo se forma, por qué se conserva y cómo el microbio mismo logra sobrevivir. Todas estas preguntas son muy difíciles.
En todos los demás procariotas poliploides estudiados hasta la fecha (incluidas las arqueas amantes de la sal conocidas por los lectores de "Elements" Haloferax volcanii) todas las copias del genoma presentes en la célula, sin importar cuántas haya, son muy similares entre sí. Nada como la colosal diversidad intracelular que se encuentra en A. oxaliferum, no se observan. Y esto de ninguna manera es un accidente. La poliploidía ofrece a los procariotas una serie de ventajas, pero contribuye a la acumulación incontrolada de mutaciones dañinas recesivas que, por supuesto, pueden conducir a la extinción (para más detalles, consulte la noticia Poliploidía de los ancestros eucariotas: la clave para comprender el origen de la mitosis y meiosis, "Elements", 14/06/2016).
Para evitar la acumulación de una carga mutacional, los procariotas poliploides (e incluso los plástidos poliploides de las plantas) utilizan activamente la conversión de genes, una variante asimétrica de recombinación homóloga, en la que dos alelos no cambian de lugar, pasando de un cromosoma a otro, como en el cruce. , y uno de los alelos es reemplazado por otro. Esto conduce a la unificación cromosómica. Debido a la conversión intensiva de genes, las mutaciones dañinas son rápidamente "borradas" por la versión no contaminada del gen, o se vuelven homocigotas, se manifiestan en el fenotipo y se descartan por selección.
Tengo A. oxaliferum La conversión de genes y la unificación de los cromosomas, muy probablemente, también ocurren, pero no en la escala de la célula completa, sino a nivel de "compartimentos" individuales: los espacios entre los gránulos de calcita. Por tanto, distintas variantes del genoma se acumulan en distintas partes de la célula. Los autores probaron esto mediante la tinción selectiva de diferentes variantes alélicas del gen de ARNr 16s (ver Fluorescent en el lugar hibridación). Resultó que la concentración de diferentes variantes alélicas realmente difiere en diferentes partes de la célula.
Sin embargo, esto todavía no es suficiente para explicar el nivel más alto de diversidad genética intracelular encontrado en A. oxaliferum... Los autores ven su principal razón en las altas tasas de mutagénesis y reordenamientos genómicos intracelulares. La comparación de fragmentos de cromosomas de la misma célula mostró que estos cromosomas, aparentemente, viven una vida muy tormentosa: mutan, reorganizan e intercambian secciones constantemente. Tengo A. oxaliferum del lago Stekhlin, el número de elementos genéticos móviles aumenta considerablemente en comparación con otras bacterias (incluidos los parientes más cercanos: los acromatios de las marismas, en los que el nivel de diversidad intracelular, a juzgar por los datos preliminares, es mucho menor). La actividad de los elementos móviles contribuye a frecuentes reordenamientos genómicos y la transferencia de secciones de ADN de un cromosoma a otro. Los autores incluso acuñaron un término especial para esto: transferencia de genes intracelular (iGT), por analogía con todas las transferencias de genes horizontales conocidas (HGT).
Una de las pruebas más claras de reordenamientos frecuentes en los cromosomas. A. oxaliferum- un orden diferente de genes en diferentes versiones del genoma, incluso dentro de la misma célula. Incluso en algunos operones conservadores (que rara vez cambian en el curso de la evolución), los genes individuales a veces se ubican en una secuencia diferente en diferentes cromosomas dentro de la misma célula.
La figura 2 muestra esquemáticamente los principales mecanismos que, según los autores, crean y mantienen un alto nivel de diversidad genética intracelular en A. oxaliferum.
5. Selección intracelular
Reordenamientos frecuentes, transferencia de genes intracelular, una alta tasa de mutagénesis, incluso si todo esto puede al menos explicar la alta diversidad genética intracelular (y creo que no puede, hablaremos de esto a continuación), no está claro cómo el achromatiium se las arregla en tales condiciones para seguir siendo viable. Después de todo, la gran mayoría de las mutaciones y reordenamientos no neutrales (que afectan a la aptitud física) deberían ser perjudiciales. Los procariotas poliploides ya tienen una mayor tendencia a acumular una carga mutacional, y si también permitimos tasas muy altas de mutagénesis, se vuelve completamente incomprensible cómo puede existir una criatura como el acromatio.
Y aquí los autores plantean una hipótesis verdaderamente innovadora. Sugieren que la selección natural en el acromatio actúa no tanto a nivel de células completas como a nivel de compartimentos individuales, que comunican débilmente los espacios entre los gránulos de calcita, en cada uno de los cuales, probablemente, se multiplican sus propias variantes del genoma.
A primera vista, la suposición puede parecer descabellada. Pero si lo piensas bien, ¿por qué no? Para ello, basta con asumir que cada cromosoma (o cada acumulación local de cromosomas similares) tiene un "radio de acción" limitado, es decir, las proteínas codificadas en este cromosoma se sintetizan y funcionan principalmente en su vecindad inmediata, en lugar de mezclándose uniformemente en toda la celda. Lo más probable es que sea así. En este caso, aquellos compartimentos donde se ubican los cromosomas más exitosos (que contienen un mínimo de mutaciones dañinas y el máximo útil) replicarán sus cromosomas más rápido, habrá más de ellos, comenzarán a extenderse dentro de la célula, desplazando gradualmente las copias menos exitosas. del genoma de los compartimentos vecinos. En principio, uno puede imaginar tal cosa.
6. La diversidad genética intracelular necesita explicaciones adicionales
La idea de una selección intracelular intensiva de genomas, que responde a una pregunta (por qué el acromatio no se extingue con una tasa de mutagénesis tan alta), crea inmediatamente otro problema. El hecho es que gracias a esta selección, las copias más exitosas (replicación más rápida) del genoma deberían desplazar a las copias menos exitosas dentro de la célula, inevitablemente reduciendo al mismo tiempo diversidad genética intracelular. El que queríamos explicar desde el principio.
Además, es obvio que la diversidad genética intracelular debería disminuir drásticamente con cada división celular. Los diferentes cromosomas se encuentran en diferentes compartimentos, por lo tanto, durante la división, cada célula hija recibirá no todas, sino solo algunas de las variantes del genoma disponibles en la célula madre. Esto se puede ver incluso en la Fig. 2.
La selección intracelular más la compartimentación del genoma son dos mecanismos poderosos que deberían reducir la diversidad intrínseca tan rápidamente que ninguna tasa de mutagénesis concebible (compatible con la vida) puede contrarrestarla. Por tanto, la diversidad genética intracelular permanece sin explicación.
Al comentar los resultados obtenidos, los autores se remiten reiteradamente a nuestro trabajo, que se describe en las noticias La poliploidía de los ancestros eucariotas es la clave para comprender el origen de la mitosis y la meiosis. En particular, mencionan que es muy beneficioso para los procariotas poliploides intercambiar material genético con otras células. Sin embargo, creen que el intercambio genético intercelular no juega un papel importante en la vida del acromatio. Esto se justifica por el hecho de que, aunque los genes para la absorción de ADN del entorno externo (transformación, ver Transformación) se encuentran en el metagenoma del acromatium, no hay genes para la conjugación (ver Conjugación bacteriana).
En mi opinión, la arquitectura genética del acromatio no indica conjugación, sino formas más radicales de mezclar el material genético de diferentes individuos, como el intercambio de cromosomas completos y la fusión celular. A juzgar por los datos obtenidos, desde un punto de vista genético, la célula A. oxaliferum es algo así como un plasmodio o sincitio procariota, como los que se forman como resultado de la fusión de muchas células genéticamente diferentes en mohos limosos. Recordemos que el acromatio es una bacteria no cultivada, por lo que es posible que algunos elementos de su ciclo de vida (como la fusión celular periódica) hayan escapado a la atención de los microbiólogos.
A favor del hecho de que se forma la diversidad genética intracelular de acromatio. no intracelularmente, se evidencia en uno de los principales hechos descubiertos por los autores, a saber, que los alelos de muchos genes ubicados en la misma célula forman ramas que están alejadas entre sí en el árbol filogenético. Si toda la diversidad intracelular de alelos se formara dentro de células de multiplicación clonal que no cambian genes entre sí, entonces uno esperaría que los alelos dentro de una célula estuvieran más relacionados entre sí que los alelos de diferentes células. Pero los autores han demostrado de manera convincente que este no es el caso. En general, apostaría a que hay fusión celular en el ciclo de vida del acromatio. Esta parece ser la explicación más parsimoniosa y plausible de la colosal diversidad genética intracelular.
En la parte final del artículo, los autores insinúan que la arquitectura genética del acromatio puede arrojar luz sobre el origen de los eucariotas. Lo expresaron de esta manera: " Por cierto, Markov y Kaznacheev sugirieron que, como el acromatio del lago Stechlin, las células protoeucariotas podrían mutar rápidamente, diversificando sus cromosomas, bacterias poliploides / arqueas.". Muy bien, pero también demostramos que tal criatura no podría haber sobrevivido sin un intenso intercambio genético entre organismos. Con suerte, más investigaciones arrojarán luz sobre los misterios sin resolver restantes del acromatio.
Enanos y gigantes entre bacterias
Las bacterias son los organismos vivos más pequeños que son la forma de vida más común en la Tierra. Las bacterias normales son aproximadamente 10 veces más pequeñas que una célula humana. Su tamaño es de aproximadamente 0,5 micrones y solo se pueden ver con un microscopio. Sin embargo, resulta que el mundo de las bacterias también tiene sus propios enanos y gigantes. Uno de estos gigantes es la bacteria Epulopiscium fishelsoni, ¡que alcanza el medio milímetro de tamaño! Es decir, alcanza el tamaño de un grano de arena o granos de sal y se puede ver a simple vista.
Reproducción de Epulopiscium
Se han realizado investigaciones en Cornwall Academy para determinar las causas de un tamaño tan grande. Al final resultó que, la bacteria contiene 85.000 copias de su ADN. A modo de comparación, las células humanas contienen solo 3 copias. Esta linda criatura vive en el tracto digestivo del pez de arrecife tropical Acanthurus nigrofuscus (pez cirujano).
Los tipos comunes de bacterias son muy pequeñas y primitivas, no tienen órganos y la comida se produce a través del caparazón. Los nutrientes se distribuyen uniformemente por todas las bacterias, por lo que deben ser pequeños. Por el contrario, Epulopiscium copia su ADN muchas veces, distribuye copias uniformemente a lo largo de la cáscara y reciben suficiente nutrición. Esta estructura le da la capacidad de responder instantáneamente a los estímulos externos. A diferencia de otras bacterias y la forma en que se dividen. Si las bacterias ordinarias simplemente se dividen por la mitad, entonces ella desarrolla dos células dentro de ella que, después de su muerte, simplemente salen al exterior.
Perla de azufre de Namibia
Sin embargo, incluso esto, lejos de ser una pequeña bacteria, no se puede comparar con la bacteria más grande del mundo que se considera Thiomargarita namibiensis, en otras palabras, "perla de azufre de Namibia", una bacteria marina gramnegativa, descubierta en 1997. No solo consta de una sola célula, sino que, al mismo tiempo, no tiene un esqueleto de soporte tan bien como los eucariotas. Las dimensiones de Thiomargarita alcanzan los 0,75-1 mm, lo que permite verlo a simple vista.
Por tipo de metabolismo, la tiomargarita es un organismo que recibe energía como resultado de reacciones redox y puede usar nitrato como el objeto final que recibe electrones. Las células de la perla sulfúrica de Namibia están inmóviles y, por lo tanto, el contenido de nitrato puede fluctuar. Thiomargarita puede almacenar nitrato en una vacuola, que ocupa aproximadamente el 98% de toda la célula. A baja concentración de nitrato, su contenido se usa para respirar. Los sulfuros son oxidados por nitratos a azufre, que se acumula en el ambiente interno de las bacterias en forma de pequeños gránulos, lo que explica el color perlado de la tiomargarita.
Investigación Thiomargarita
Estudios recientes han demostrado que Thiomargarita namibiensis puede no ser un organismo obligado, sino un organismo opcional que recibe energía sin la presencia de oxígeno. Ella es capaz de respirar oxígeno si este gas es suficiente. Otro rasgo distintivo de esta bacteria es la posibilidad de división palintómica, que ocurre sin incrementar el crecimiento intermedio. Thiomargarita namibiensis utiliza este proceso en condiciones estresantes provocadas por el ayuno.
La bacteria fue descubierta en los sedimentos del fondo del margen aplanado del continente, cerca de la costa de Namibia, por Heide Schultz, una bióloga alemana y sus colegas en 1997, y en 2005, en los ratones fríos del fondo del Golfo de México. se encontró una cepa similar, lo que confirma la amplia distribución de la perla de azufre de Namibia ...
Victor Ostrovsky, Samogo.Net
