Bacteriile sunt cel mai vechi grup de organisme care există în prezent pe Pământ. Primele bacterii au apărut probabil cu mai bine de 3,5 miliarde de ani în urmă și timp de aproape un miliard de ani au fost singurele creaturi vii de pe planeta noastră. Deoarece aceștia au fost primii reprezentanți ai vieții sălbatice, corpul lor avea o structură primitivă.
În timp, structura lor a devenit mai complexă, dar și astăzi bacteriile sunt considerate cele mai primitive organisme unicelulare. Interesant este că unele bacterii păstrează încă trăsăturile primitive ale strămoșilor lor antici. Acest lucru se observă la bacteriile care trăiesc în izvoarele fierbinți cu sulf și în nămolurile anoxice de la fundul rezervoarelor.
Majoritatea bacteriilor sunt incolore. Doar câteva sunt colorate în violet sau verde. Dar coloniile multor bacterii au o culoare strălucitoare, care se datorează eliberării unei substanțe colorate în mediu sau pigmentării celulelor.
Descoperitorul lumii bacteriilor a fost Anthony Leeuwenhoek, un naturalist olandez al secolului al XVII-lea, care a creat pentru prima dată un microscop perfect cu lupă care mărește obiectele de 160-270 de ori.
Bacteriile sunt clasificate ca procariote și sunt separate într-un regn separat - Bacteriile.
forma corpului
Bacteriile sunt organisme numeroase și diverse. Ele diferă ca formă.
| denumirea bacteriei | Forma bacteriilor | Imaginea bacteriilor |
| coci | sferic | |
| Bacil |  | în formă de tijă |
| Vibrio | virgulă curbată | |
| Spirillum |  | Spirală |
| streptococi |  | Lanț de coci |
| stafilococi |  | Ciorchini de coci |
| diplococi | Două bacterii rotunde închise într-o capsulă slimy |
Modalitati de transport
Printre bacterii există forme mobile și imobile. Cele mobile se deplasează prin contracții ondulate sau cu ajutorul flagelilor (fire elicoidale răsucite), care constau dintr-o proteină specială flagelină. Pot exista unul sau mai mulți flageli. Ele sunt localizate în unele bacterii la un capăt al celulei, în altele - pe două sau pe toată suprafața.
Dar mișcarea este, de asemenea, inerentă multor alte bacterii care nu au flageli. Deci, bacteriile acoperite cu mucus la exterior sunt capabile să alunece.
Unele bacterii din apă și sol fără flageli au vacuole de gaz în citoplasmă. Într-o celulă pot exista 40-60 de vacuole. Fiecare dintre ele este umplut cu gaz (probabil azot). Prin reglarea cantității de gaz din vacuole, bacteriile acvatice se pot scufunda în coloana de apă sau se pot ridica la suprafața acesteia, în timp ce bacteriile din sol se pot deplasa în capilarele solului.
Habitat
Datorită simplității organizării și lipsei de pretenții, bacteriile sunt larg răspândite în natură. Bacteriile se găsesc peste tot: într-o picătură chiar și din cea mai pură apă de izvor, în grăunte de sol, în aer, pe stânci, în zăpadă polară, nisipuri deșertice, pe fundul oceanului, în ulei extras din adâncimi mari și chiar în fierbinte. apă de izvor cu o temperatură de aproximativ 80ºС. Ei trăiesc pe plante, fructe, la diferite animale și la oameni în intestine, gură, membre și pe suprafața corpului.
Bacteriile sunt cele mai mici și mai numeroase viețuitoare. Datorită dimensiunilor mici, pătrund cu ușurință în orice fisuri, crăpături, pori. Foarte rezistent și adaptat la diverse condiții de existență. Tolerează uscarea, frigul extrem, încălzirea până la 90ºС, fără a-și pierde viabilitatea.
Practic nu există niciun loc pe Pământ unde bacteriile să nu fie găsite, ci în cantități diferite. Condițiile de viață ale bacteriilor sunt variate. Unii dintre ei au nevoie de oxigen din aer, alții nu au nevoie de el și sunt capabili să trăiască într-un mediu fără oxigen.
În aer: bacteriile se ridică în atmosfera superioară până la 30 km. și altele.
Mai ales multe dintre ele în sol. Un gram de sol poate conține sute de milioane de bacterii.
În apă: în straturile de apă de suprafață ale rezervoarelor deschise. Bacteriile acvatice benefice mineralizează reziduurile organice.
În organismele vii: bacteriile patogene pătrund în organism din mediul extern, dar numai în condiții favorabile provoacă boli. Simbiotice trăiesc în organele digestive, ajutând la descompunerea și asimilarea alimentelor, sintetizarea vitaminelor.
Structura externă
Celula bacteriană este îmbrăcată într-o înveliș special dens - peretele celular, care îndeplinește funcții de protecție și de susținere și, de asemenea, conferă bacteriei o formă permanentă, caracteristică. Peretele celular al unei bacterii seamănă cu învelișul unei celule vegetale. Este permeabil: prin ea, nutrienții trec liber în celulă, iar produsele metabolice ies în mediu. Bacteriile dezvoltă adesea un strat protector suplimentar de mucus, o capsulă, peste peretele celular. Grosimea capsulei poate fi de multe ori mai mare decât diametrul celulei în sine, dar poate fi foarte mică. Capsula nu este o parte obligatorie a celulei, se formează în funcție de condițiile în care intră bacteriile. Împiedică bacteriile să nu se usuce.
Pe suprafața unor bacterii există flageli lungi (unul, doi sau mai mulți) sau vilozități scurte și subțiri. Lungimea flagelului poate fi de multe ori mai mare decât dimensiunea corpului bacteriei. Bacteriile se mișcă cu ajutorul flagelilor și vilozităților.
Structura interna
În interiorul celulei bacteriene se află o citoplasmă densă imobilă. Are o structură stratificată, nu există vacuole, astfel încât diferite proteine (enzime) și nutrienți de rezervă se află în însăși substanța citoplasmei. Celulele bacteriene nu au nucleu. În partea centrală a celulelor lor, este concentrată o substanță care poartă informații ereditare. Bacterii, - acid nucleic - ADN. Dar această substanță nu este încadrată în nucleu.
Organizarea internă a unei celule bacteriene este complexă și are propriile sale caracteristici specifice. Citoplasma este separată de peretele celular prin membrana citoplasmatică. În citoplasmă, se disting substanța principală, sau matricea, ribozomii și un număr mic de structuri membranare care îndeplinesc o varietate de funcții (analogi ai mitocondriilor, reticulului endoplasmatic, aparatului Golgi). Citoplasma celulelor bacteriene conține adesea granule de diferite forme și dimensiuni. Granulele pot fi compuse din compuși care servesc ca sursă de energie și carbon. Picături de grăsime se găsesc și în celula bacteriană.
În partea centrală a celulei, substanța nucleară, ADN, este localizată, neseparată de citoplasmă printr-o membrană. Acesta este un analog al nucleului - nucleoidul. Nucleoidul nu are membrană, nucleol și un set de cromozomi.
Metode de nutriție
Bacteriile au moduri diferite de hrănire. Printre aceștia se numără autotrofe și heterotrofe. Autotrofele sunt organisme care pot forma independent substanțe organice pentru nutriția lor.
Plantele au nevoie de azot, dar ele însele nu pot absorbi azotul din aer. Unele bacterii combină moleculele de azot din aer cu alte molecule, rezultând substanțe disponibile plantelor.
Aceste bacterii se instalează în celulele rădăcinilor tinere, ceea ce duce la formarea unor îngroșări pe rădăcini, numite noduli. Astfel de noduli se formează pe rădăcinile plantelor din familia leguminoaselor și ale altor plante.
Rădăcinile furnizează bacteriilor carbohidrați, iar bacteriile dau rădăcinilor substanțe care conțin azot care pot fi absorbite de plantă. Relația lor este reciproc avantajoasă.
Rădăcinile plantelor secretă multe substanțe organice (zaharuri, aminoacizi și altele) cu care bacteriile se hrănesc. Prin urmare, în special multe bacterii se instalează în stratul de sol din jurul rădăcinilor. Aceste bacterii transformă reziduurile de plante moarte în substanțe disponibile plantei. Acest strat de sol se numește rizosferă.
Există mai multe ipoteze despre pătrunderea bacteriilor nodulare în țesuturile radiculare:
- prin afectarea țesutului epidermic și cortical;
- prin firele de păr din rădăcină;
- numai prin membrana celulară tânără;
- datorită bacteriilor însoțitoare care produc enzime pectinolitice;
- datorită stimulării sintezei acidului B-indoleacetic din triptofan, care este întotdeauna prezent în secrețiile rădăcinilor plantelor.
Procesul de introducere a bacteriilor nodulare în țesutul radicular constă în două faze:
- infecția firelor de păr din rădăcină;
- procesul de formare a nodulilor.
În cele mai multe cazuri, celula invadatoare se înmulțește activ, formează așa-numitele fire de infecție și deja sub forma unor astfel de fire se deplasează în țesuturile plantei. Bacteriile nodulare care au apărut din firul de infecție continuă să se înmulțească în țesutul gazdă.
Umplute cu celule care se înmulțesc rapid de bacterii nodulare, celulele plantelor încep să se dividă intens. Legătura unui nodul tânăr cu rădăcina unei plante leguminoase se realizează datorită fasciculelor vascular-fibroase. În perioada de funcționare, nodulii sunt de obicei denși. Până în momentul manifestării activității optime, nodulii capătă o culoare roz (datorită pigmentului de legoglobină). Numai acele bacterii care conțin legoglobină sunt capabile să fixeze azotul.
Bacteriile nodulare creează zeci și sute de kilograme de îngrășăminte cu azot pe hectar de sol.
Metabolism
Bacteriile diferă unele de altele prin metabolism. Pentru unii, merge cu participarea oxigenului, pentru alții - fără participarea acestuia.
Majoritatea bacteriilor se hrănesc cu substanțe organice gata preparate. Doar câteva dintre ele (albastru-verde, sau cianobacteriile) sunt capabile să creeze substanțe organice din cele anorganice. Ele au jucat un rol important în acumularea de oxigen în atmosfera Pământului.
Bacteriile absorb substanțele din exterior, le rup moleculele, își adună învelișul din aceste părți și își reumple conținutul (așa cresc) și aruncă moleculele inutile. Învelișul și membrana bacteriei îi permit să absoarbă numai substanțele potrivite.
Dacă învelișul și membrana bacteriei ar fi complet impermeabile, nicio substanță nu ar intra în celulă. Dacă ar fi permeabile la toate substanțele, conținutul celulei s-ar amesteca cu mediul - soluția în care trăiește bacteria. Pentru supraviețuirea bacteriilor este nevoie de o înveliș care să permită trecerea substanțelor necesare, dar nu și a celor care nu sunt necesare.
Bacteria absoarbe nutrienții care se află în apropierea ei. Ce se întâmplă mai departe? Dacă se poate mișca independent (prin mișcarea flagelului sau împingând mucusul înapoi), atunci se mișcă până când găsește substanțele necesare.
Dacă nu se poate mișca, atunci așteaptă până când difuzia (capacitatea moleculelor unei substanțe de a pătrunde în grosimea moleculelor unei alte substanțe) aduce moleculele necesare la ea.
Bacteriile, împreună cu alte grupuri de microorganisme, efectuează o muncă chimică uriașă. Prin transformarea diverșilor compuși, aceștia primesc energia și nutrienții necesari activității lor vitale. Procesele metabolice, modalitățile de obținere a energiei și nevoia de materiale pentru a construi substanțele organismului lor în bacterii sunt diverse.
Alte bacterii satisfac toate nevoile de carbon necesare sintezei substantelor organice ale organismului in detrimentul compusilor anorganici. Se numesc autotrofi. Bacteriile autotrofe sunt capabile să sintetizeze substanțe organice din cele anorganice. Printre acestea se disting:
Chemosinteza
Utilizarea energiei radiante este cea mai importantă, dar nu singura modalitate de a crea materie organică din dioxid de carbon și apă. Sunt cunoscute bacterii care nu folosesc lumina solară ca sursă de energie pentru o astfel de sinteză, ci energia legăturilor chimice care apar în celulele organismelor în timpul oxidării anumitor compuși anorganici - hidrogen sulfurat, sulf, amoniac, hidrogen, acid azotic, compuși feroși de fier și mangan. Ei folosesc materia organică formată folosind această energie chimică pentru a construi celulele corpului lor. Prin urmare, acest proces se numește chimiosinteză.
Cel mai important grup de microorganisme chimisintetice sunt bacteriile nitrificatoare. Aceste bacterii trăiesc în sol și efectuează oxidarea amoniacului, format în timpul degradarii reziduurilor organice, la acid azotic. Acesta din urmă, reacționează cu compușii minerali ai solului, se transformă în săruri de acid azotic. Acest proces are loc în două etape.
Bacteriile de fier transformă fierul feros în oxid. Hidroxidul de fier format se depune și formează așa-numitul minereu de fier de mlaștină.
Unele microorganisme există datorită oxidării hidrogenului molecular, oferind astfel un mod autotrof de nutriție.
O trăsătură caracteristică a bacteriilor cu hidrogen este capacitatea de a trece la un stil de viață heterotrof atunci când sunt furnizate cu compuși organici și în absența hidrogenului.
Astfel, chimioautotrofele sunt autotrofe tipice, deoarece sintetizează în mod independent compușii organici necesari din substanțe anorganice și nu îi iau gata preparati din alte organisme, cum ar fi heterotrofele. Bacteriile chimioautotrofe diferă de plantele fototrofe prin independența lor completă față de lumină ca sursă de energie.
fotosinteza bacteriană
Unele bacterii cu sulf care conțin pigment (violet, verde), care conțin pigmenți specifici - bacterioclorofilele, sunt capabile să absoarbă energia solară, cu ajutorul căreia hidrogenul sulfurat este împărțit în organismele lor și dă atomi de hidrogen pentru a restabili compușii corespunzători. Acest proces are multe în comun cu fotosinteza și diferă doar prin aceea că, la bacteriile violet și verzi, hidrogenul sulfurat (ocazional acizi carboxilici) este un donor de hidrogen, iar la plantele verzi este apa. În acelea și altele, scindarea și transferul hidrogenului se realizează datorită energiei razelor solare absorbite.
O astfel de fotosinteză bacteriană, care are loc fără eliberarea de oxigen, se numește fotoreducere. Fotoreducerea dioxidului de carbon este asociată cu transferul de hidrogen nu din apă, ci din hidrogen sulfurat:
6CO 2 + 12H 2 S + hv → C6H 12 O 6 + 12S \u003d 6H 2 O
Semnificația biologică a chimiosintezei și fotosintezei bacteriene la scară planetară este relativ mică. Doar bacteriile chemosintetice joacă un rol semnificativ în ciclul sulfului din natură. Absorbit de plantele verzi sub formă de săruri ale acidului sulfuric, sulful este restabilit și devine parte a moleculelor proteice. În plus, în timpul distrugerii reziduurilor de plante și animale moarte de către bacteriile putrefactive, sulful este eliberat sub formă de hidrogen sulfurat, care este oxidat de bacteriile sulfuroase la sulf liber (sau acid sulfuric), care formează sulfiți disponibili pentru plante în sol. Bacteriile chimio- și fotoautotrofe sunt esențiale în ciclul azotului și sulfului.
sporulare
Sporii se formează în interiorul celulei bacteriene. În procesul de formare a sporilor, o celulă bacteriană suferă o serie de procese biochimice. Cantitatea de apă liberă din el scade, activitatea enzimatică scade. Acest lucru asigură rezistența sporilor la condițiile de mediu nefavorabile (temperatură ridicată, concentrație mare de sare, uscare etc.). Formarea sporilor este caracteristică doar unui grup mic de bacterii.
Sporii nu sunt o etapă esențială în ciclul de viață al bacteriilor. Sporularea începe doar cu lipsa nutrienților sau acumularea de produse metabolice. Bacteriile sub formă de spori pot rămâne latente mult timp. Sporii bacterieni rezistă la fierbere prelungită și la înghețare foarte lungă. Când apar condiții favorabile, disputa germinează și devine viabilă. Sporii bacterieni sunt adaptări pentru supraviețuirea în condiții nefavorabile.
reproducere
Bacteriile se reproduc prin împărțirea unei celule în două. După ce a atins o anumită dimensiune, bacteria se împarte în două bacterii identice. Apoi fiecare dintre ei începe să se hrănească, crește, se împarte și așa mai departe.
După alungirea celulei, se formează treptat un sept transversal, iar apoi celulele fiice diverg; în multe bacterii, în anumite condiții, celulele după diviziune rămân conectate în grupuri caracteristice. În acest caz, în funcție de direcția planului de diviziune și de numărul de diviziuni, apar diferite forme. Reproducerea prin înmugurire are loc în bacterii ca o excepție.
În condiții favorabile, diviziunea celulară în multe bacterii are loc la fiecare 20-30 de minute. Cu o reproducere atât de rapidă, descendenții unei bacterii în 5 zile sunt capabili să formeze o masă care poate umple toate mările și oceanele. Un calcul simplu arată că se pot forma 72 de generații (720.000.000.000.000.000.000 de celule) pe zi. Dacă se traduce în greutate - 4720 de tone. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă în natură, deoarece majoritatea bacteriilor mor rapid sub influența razelor solare, uscării, lipsei hranei, încălzirii până la 65-100ºС, ca urmare a luptei dintre specii etc.
Bacteria (1), după ce a absorbit suficientă hrană, crește în dimensiune (2) și începe să se pregătească pentru reproducere (diviziunea celulară). ADN-ul său (într-o bacterie, molecula de ADN este închisă într-un inel) se dublează (bacteria produce o copie a acestei molecule). Ambele molecule de ADN (3.4) par a fi atașate de peretele bacterian și, atunci când sunt alungite, bacteriile diverg în lateral (5.6). Mai întâi, nucleotida se divide, apoi citoplasma.
După divergența a două molecule de ADN asupra bacteriilor, apare o constricție, care împarte treptat corpul bacteriei în două părți, fiecare dintre acestea conținând o moleculă de ADN (7).
Se întâmplă (în bacilul de fân), două bacterii se lipesc împreună și se formează o punte între ele (1,2).
ADN-ul este transportat de la o bacterie la alta prin jumper (3). Odată ajunse într-o singură bacterie, moleculele de ADN se împletesc, se lipesc împreună în unele locuri (4), după care schimbă secțiuni (5).
Rolul bacteriilor în natură
Circulaţie
Bacteriile sunt cea mai importantă verigă în circulația generală a substanțelor din natură. Plantele creează substanțe organice complexe din dioxid de carbon, apă și săruri minerale din sol. Aceste substanțe revin în sol cu ciuperci moarte, plante și cadavre de animale. Bacteriile descompun substanțele complexe în unele simple, care sunt reutilizate de plante.
Bacteriile distrug materia organică complexă a plantelor moarte și cadavrele animalelor, excrețiile organismelor vii și diverse deșeuri. Hranindu-se cu aceste substante organice, bacteriile saprofite le transforma in humus. Acestea sunt genul de ordonatori ai planetei noastre. Astfel, bacteriile sunt implicate activ în ciclul substanțelor din natură.
formarea solului
Deoarece bacteriile sunt distribuite aproape peste tot și se găsesc în număr mare, ele determină în mare măsură diferitele procese care au loc în natură. Toamna, frunzele copacilor și arbuștilor cad, lăstarii de iarbă de deasupra solului mor, ramurile bătrâne cad și din când în când trunchiurile copacilor bătrâni cad. Toate acestea se transformă treptat în humus. În 1 cm 3. Stratul de suprafață al solului forestier conține sute de milioane de bacterii saprofite ale solului din mai multe specii. Aceste bacterii transformă humusul în diferite minerale care pot fi absorbite din sol de rădăcinile plantelor.
Unele bacterii din sol sunt capabile să absoarbă azotul din aer, folosindu-l în procesele vieții. Aceste bacterii fixatoare de azot trăiesc pe cont propriu sau își au reședința în rădăcinile plantelor leguminoase. După ce au pătruns în rădăcinile leguminoaselor, aceste bacterii provoacă creșterea celulelor radiculare și formarea de noduli pe ele.
Aceste bacterii eliberează compuși de azot pe care îi folosesc plantele. Bacteriile obțin carbohidrați și săruri minerale din plante. Astfel, există o relație strânsă între planta leguminoasă și bacteriile nodulare, care este utilă atât pentru unul cât și pentru celălalt organism. Acest fenomen se numește simbioză.
Datorită simbiozei lor cu bacteriile nodulare, leguminoasele îmbogățesc solul cu azot, ajutând la creșterea recoltelor.
Distribuția în natură
Microorganismele sunt omniprezente. Singurele excepții sunt craterele vulcanilor activi și zonele mici din epicentrele bombelor atomice detonate. Nici temperaturile scăzute ale Antarcticii, nici jeturile de fierbere ale gheizerelor, nici soluțiile saturate de sare din bazinele de sare, nici insolația puternică a vârfurilor muntilor, nici radiațiile dure ale reactoarelor nucleare nu interferează cu existența și dezvoltarea microflorei. Toate ființele vii interacționează constant cu microorganismele, fiind adesea nu doar depozitele acestora, ci și distribuitori. Microorganismele sunt nativele planetei noastre, dezvoltând activ cele mai incredibile substraturi naturale.
Microflora solului
Numărul de bacterii din sol este extrem de mare - sute de milioane și miliarde de indivizi într-un gram. Sunt mult mai abundente în sol decât în apă și aer. Numărul total de bacterii din sol variază. Numărul de bacterii depinde de tipul de sol, de starea acestora, de adâncimea straturilor.
Pe suprafața particulelor de sol, microorganismele sunt situate în microcolonii mici (20-100 de celule fiecare). Adesea se dezvoltă în grosimile cheagurilor de materie organică, pe rădăcinile plantelor vii și pe moarte, în capilare subțiri și în interiorul bulgări.
Microflora solului este foarte diversă. Aici se găsesc diferite grupe fiziologice de bacterii: bacterii putrefactive, nitrificante, fixatoare de azot, sulfuroase etc. printre ele se numără aerobe și anaerobe, forme de spori și non-spori. Microflora este unul dintre factorii de formare a solului.
Zona de dezvoltare a microorganismelor în sol este zona adiacentă rădăcinilor plantelor vii. Se numește rizosferă, iar totalitatea microorganismelor conținute în ea se numește microfloră rizosferă.
Microflora rezervoarelor
Apa este un mediu natural în care microorganismele cresc în număr mare. Majoritatea intră în apa din sol. Un factor care determină numărul de bacterii din apă, prezența nutrienților în aceasta. Cele mai curate sunt apele fântânilor și izvoarelor arteziene. Rezervoarele deschise și râurile sunt foarte bogate în bacterii. Cel mai mare număr de bacterii se găsește în straturile de suprafață ale apei, mai aproape de țărm. Odată cu creșterea distanței față de coastă și creșterea adâncimii, numărul bacteriilor scade.
Apa pură conține 100-200 de bacterii la 1 ml, în timp ce apa contaminată conține 100-300 de mii sau mai mult. Există multe bacterii în nămolul de jos, în special în stratul de suprafață, unde bacteriile formează o peliculă. Există o mulțime de bacterii cu sulf și fier în acest film, care oxidează hidrogenul sulfurat în acid sulfuric și, prin urmare, împiedică moartea peștilor. Există mai multe forme purtătoare de spori în nămol, în timp ce formele care nu poartă spori predomină în apă.
Din punct de vedere al compoziției speciilor, microflora apei este similară cu microflora solului, dar se găsesc și forme specifice. Distrugând diverse deșeuri care au căzut în apă, microorganismele realizează treptat așa-numita purificare biologică a apei.
Microflora aerului
Microflora aerului este mai puțin numeroasă decât microflora solului și a apei. Bacteriile se ridică în aer cu praf, pot rămâne acolo o vreme, apoi se așează la suprafața pământului și mor din lipsă de nutriție sau sub influența razelor ultraviolete. Numărul de microorganisme din aer depinde de zona geografică, locație, sezon, poluarea cu praf etc. Fiecare fir de praf este un purtător de microorganisme. Cele mai multe bacterii în aer peste întreprinderile industriale. Aerul din mediul rural este mai curat. Cel mai curat aer este peste păduri, munți, spații înzăpezite. Straturile superioare ale aerului conțin mai puțini germeni. În microflora aerului există multe bacterii pigmentate și purtătoare de spori, care sunt mai rezistente decât altele la razele ultraviolete.
Microflora corpului uman
Corpul unei persoane, chiar și unul complet sănătos, este întotdeauna un purtător de microfloră. Când corpul uman intră în contact cu aerul și solul, o varietate de microorganisme, inclusiv agenți patogeni (bacili tetanici, gangrena gazoasă etc.), se instalează pe îmbrăcăminte și pe piele. Părțile expuse ale corpului uman sunt cel mai frecvent contaminate. E. coli, stafilococii se găsesc pe mâini. Există peste 100 de tipuri de microbi în cavitatea bucală. Gura, cu temperatura, umiditatea, reziduurile sale nutritive, este un mediu excelent pentru dezvoltarea microorganismelor.
Stomacul are o reacție acidă, astfel încât cea mai mare parte a microorganismelor din el mor. Pornind de la intestinul subțire, reacția devine alcalină, adică. favorabil microbilor. Microflora din intestinul gros este foarte diversă. Fiecare adult excretă zilnic aproximativ 18 miliarde de bacterii cu excremente, adică. mai mulți indivizi decât oameni de pe glob.
Organele interne care nu sunt conectate la mediul extern (creier, inimă, ficat, vezică urinară etc.) sunt de obicei lipsite de microbi. Microbii intră în aceste organe numai în timpul bolii.
Bacteriile în ciclism
Microorganismele în general și bacteriile în special joacă un rol important în ciclurile importante din punct de vedere biologic ale materiei de pe Pământ, efectuând transformări chimice care sunt complet inaccesibile fie plantelor, fie animalelor. Diverse etape ale ciclului elementelor sunt efectuate de organisme de diferite tipuri. Existența fiecărui grup separat de organisme depinde de transformarea chimică a elementelor efectuată de alte grupuri.
ciclul azotului
Transformarea ciclică a compușilor azotați joacă un rol primordial în furnizarea formelor necesare de azot diverselor organisme din biosfere în ceea ce privește nevoile nutriționale. Peste 90% din fixarea totală a azotului se datorează activității metabolice a anumitor bacterii.
Ciclul carbonului
Transformarea biologică a carbonului organic în dioxid de carbon, însoțită de reducerea oxigenului molecular, necesită activitatea metabolică comună a diferitelor microorganisme. Multe bacterii aerobe efectuează oxidarea completă a substanțelor organice. În condiții aerobe, compușii organici sunt descompuși inițial prin fermentație, iar produsele finale ale fermentației organice sunt oxidate în continuare prin respirație anaerobă dacă sunt prezenți acceptori anorganici de hidrogen (nitrat, sulfat sau CO2).
Ciclul sulfului
Pentru organismele vii, sulful este disponibil în principal sub formă de sulfați solubili sau compuși organici cu sulf redus.
Ciclul fierului
Unele rezervoare de apă dulce conțin concentrații mari de săruri reduse de fier. În astfel de locuri, se dezvoltă o microfloră bacteriană specifică - bacterii de fier, care oxidează fierul redus. Ei participă la formarea minereurilor de fier din mlaștină și a surselor de apă bogate în săruri de fier.
Bacteriile sunt cele mai vechi organisme, apărând în urmă cu aproximativ 3,5 miliarde de ani în Arhee. Timp de aproximativ 2,5 miliarde de ani, ei au dominat Pământul, formând biosfera și au participat la formarea unei atmosfere de oxigen.
Bacteriile sunt una dintre cele mai simplu organisme vii aranjate (cu excepția virușilor). Se crede că acestea sunt primele organisme care au apărut pe Pământ.
Cred că la școală ai auzit despre bacterii, acestea sunt creaturi atât de mici, care sunt peste tot în întuneric și întuneric și fără de care nu am fi capabili să existe. Deci, se dovedește că printre ei se numără uriași și pitici. Mai mult, cel mai mare dintre ele are dimensiunea unui munte în comparație cu restul! Această bacterie gigantică se numește Epulopiscium. În dimensiune (până la 0,5 mm), poate fi comparat cu un grăunte de sare - o dimensiune uriașă în lumea creaturilor microscopice. Poate fi văzut chiar și cu ochiul liber. Acest animal poate ajunge la dimensiunea unor mici insecte și crustacee.
Au fost efectuate și publicate studii la Academia Cornish pentru a determina motivele unor dimensiuni atât de mari. S-a dovedit că această bacterie stochează până la 85 de mii de copii de ADN. Pentru comparație, celulele umane conțin maximum 3 copii. Această creatură drăguță trăiește cu ajutorul simbiozei în tractul digestiv al peștelui chirurg (peștele de recif tropical). Acesta a fost descoperit în 1985.
„Alte bacterii conțin și multe copii ale ADN-ului, dar numărul lor nu este mai mare de 100-200. Dar acesta păstrează o întreagă bancă de informații genetice”, spune Escher Angert, profesor de microbiologie la Universitatea Cornwell.
Bacteriile obișnuite sunt foarte mici și simple ca structură. Sunt lipsiți de orice organe (în celule se numesc organele) care promovează creșterea celulelor, cum ar fi celulele vegetale sau animale. Bacteriile se hrănesc prin absorbția nutrienților prin peretele celular. În interior, nutrienții sunt distribuiti „autopropulsat”, astfel încât bacteriile sunt forțate să fie mici, altfel nutrienții nu se vor putea răspândi în volumul lor.
Dar bacteria uriașă menționată mai sus își copiază ADN-ul de mai multe ori și distribuie exemplarele uniform lângă coajă, astfel încât acestea să primească nutrienți rapid și în cantitate suficientă.
„Având mii de copii ale ADN-ului distribuite la periferie, face posibil să răspundem instantaneu la factori externi – temperatură, iritație și altele”, adaugă Escher Angert. Prin urmare, în ciuda dimensiunilor sale mari, această bacterie reacționează instantaneu la atacurile prădătorilor din lumea sa, dintre care există o mulțime în tractul digestiv al peștilor. O altă caracteristică a acestuia este un mod special de împărțire. Majoritatea bacteriilor se împart pur și simplu în 2 părți, dar Epulopiscium crește în interiorul său două celule fiice, care, după moartea sa, ies.
Dar se dovedește că există bacterii și mai mari! În 1999, a fost descoperită o specie și mai mare, Thiomargarita namibiensis. Atinge o dimensiune de 0,75 mm. Această creatură se hrănește cu nitrați, sintetizând substanțe organice din aceștia. Acești uriași trăiesc pe coasta Namibiei, iar unele dintre rudele lor îndepărtate trăiesc în apele Golfului Mexic.
Bacteriile sunt cele mai mici organisme celulare, doar virusurile sunt mai mici. O bacterie obișnuită este de 10 ori mai mică decât o celulă umană, măsurând 0,5-5,0 micrometri (acestea pot fi văzute doar la microscop). Mii de bacterii din zeci de specii se află, de exemplu, într-o picătură de salivă. Un gram de sol conține aproximativ 40 de milioane de bacterii, iar cea mai mică picătură de apă brută conține și milioane de bacterii. Planeta conține (aproximativ, desigur) 5.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 de bacterii (30 de zerouri). Ele reprezintă cea mai comună formă de viață, prezentă pretutindeni - de la fundul oceanului până la zăpezile de munte înalte.
ps. Fotografia arată eroina articolului. Alte bacterii din această fotografie arată ca niște puncte mici abia vizibile în jur.
Bacteriile au început viața pe planeta noastră. Oamenii de știință cred că totul se va termina cu ei. Există o glumă că, atunci când extratereștrii au studiat Pământul, nu au putut înțelege cine este adevăratul proprietar al acestuia - un om sau un bacil. Cele mai interesante fapte despre bacterii sunt selectate mai jos.
O bacterie este un organism separat care se reproduce prin diviziune. Cu cât habitatul este mai favorabil, cu atât se împarte mai repede. Aceste microorganisme trăiesc în toate ființele vii, precum și în apă, alimente, copaci putrezi și plante.
Această listă nu este limitată. Bacilii supraviețuiesc foarte bine pe obiectele pe care o persoană le-a atins. De exemplu, pe balustrada in transportul in comun, pe manerul frigiderului, pe varful unui creion. Fapte interesante despre bacterii au fost descoperite recent de la Universitatea din Arizona. Conform observațiilor lor, microorganismele „adormite” trăiesc pe Marte. Oamenii de știință sunt siguri că aceasta este una dintre dovezile existenței vieții pe alte planete, în plus, în opinia lor, bacteriile extraterestre pot fi „reînviate” pe Pământ.
Pentru prima dată, un microorganism a fost examinat într-un microscop optic de către omul de știință olandez Anthony van Leeuwenhoek la sfârșitul secolului al XVII-lea. În prezent, se cunosc aproximativ două mii de specii de bacili. Toate pot fi împărțite condiționat în:
- nociv;
- util;
- neutru.
În același timp, cele dăunătoare se luptă de obicei cu cele utile și neutre. Acesta este unul dintre cele mai frecvente motive pentru care o persoană se îmbolnăvește.
Cele mai curioase fapte
În general, organismele unicelulare sunt implicate în toate procesele vieții.
Bacterii și oameni
De la naștere, o persoană intră într-o lume plină de diverse microorganisme. Unii îl ajută să supraviețuiască, alții provoacă infecții și boli.
Cele mai curioase fapte interesante despre bacterii și oameni:
Se pare că bacilul poate atât vindeca complet o persoană, cât și poate distruge specia noastră. Toxine bacteriene există deja.
Cum ne-au ajutat bacteriile să supraviețuim?
Iată câteva fapte mai interesante despre bacteriile de care beneficiază oamenii:
- unele tipuri de bacili protejează o persoană de alergii;
- bacteriile pot fi folosite pentru a elimina deșeurile periculoase (de exemplu, produse petroliere);
- Fără microorganisme în intestin, oamenii nu ar supraviețui.
Cum să-i înveți pe copii despre bacili?
Bebelușii sunt gata să vorbească despre bacili încă de la 3-4 ani. Pentru a transmite corect informațiile, merită să spuneți fapte interesante despre bacterii. Pentru copii, de exemplu, este foarte important să înțeleagă că există microbi răi și buni. Că oamenii buni pot transforma laptele în lapte copt fermentat. Și, de asemenea, că ajută burtica să digere alimente.
Acordați atenție bacteriilor rele. Spuneți că sunt foarte mici, deci nu sunt vizibile. Că, intrând în corpul uman, microbii devin rapid numeroși și încep să ne mănânce din interior.
Copilul ar trebui să știe că microbul rău nu intră în corp:
- Spălați-vă mâinile după stradă și înainte de a mânca.
- Nu mânca multe dulciuri.
- Faceți vaccinări.
Cel mai bun mod de a arăta bacteriile este cu imagini și enciclopedii.
Ce ar trebui să știe fiecare elev?
Cu un copil mai mare, este mai bine să vorbim nu despre microbi, ci despre bacterii. Faptele interesante pentru școlari sunt importante de argumentat. Adică, vorbind despre importanța spălării mâinilor, poți spune că 340 de colonii de bacili dăunători trăiesc pe mânerele toaletei.
Împreună puteți găsi informații despre ce bacterii cauzează carii. Și, de asemenea, spune-i elevului că ciocolata în cantitate mică are un efect antibacterian.
Chiar și un elev de școală primară va putea înțelege ce este un vaccin. Acesta este momentul în care o cantitate mică de virus sau bacterii este introdusă în organism, iar sistemul imunitar le învinge. De aceea este atât de important să vă vaccinați.
Deja din copilărie, ar trebui să se înțeleagă că țara bacteriilor este o lume întreagă care nu a fost încă studiată pe deplin. Și atâta timp cât există aceste microorganisme, există însăși specia umană.
Încercările de a secvența genomul unei bacterii uriașe cu sulf Achromatium oxaliferum a dat un rezultat paradoxal: s-a dovedit că fiecare celulă bacteriană conține nu unul, ci mulți genomi diferiți. Nivelul diversității genetice intracelulare A. oxaliferum comparabil cu diversitatea unei comunități bacteriene cu mai multe specii. Aparent, cromozomi diferiți se înmulțesc în diferite părți ale citoplasmei, care este subdivizată de incluziuni mari de calcit în multe compartimente (compartimente) slab conectate. Un rol important în menținerea diversității genetice interne îl au numeroase elemente genetice mobile care facilitează transferul genelor de la cromozom la cromozom. Autorii descoperirii sugerează că selecția naturală în acest organism unic nu este atât la nivelul celulelor, ci la nivelul compartimentelor individuale dintr-o celulă gigantică.
1 Bacterii misterioase
Bacteria uriașă cu sulf Achromatium oxaliferum a fost descoperit încă din secolul al XIX-lea, dar biologia sa rămâne încă misterioasă - în mare parte pentru că acromația nu poate fi cultivată în laborator. Celulele de acromație pot avea o lungime de până la 0,125 mm, ceea ce o face cea mai mare dintre bacteriile de apă dulce (există bacterii cu sulf și mai mari în mări, cum ar fi Thiomargarita, care este descris în știri Cei mai vechi embrioni precambrieni s-au dovedit a fi bacterii? , „Elemente”, 15.01.2007).
Achromatium oxaliferum trăiește în sedimentele de fund ale lacurilor proaspete, unde apare de obicei la limita zonelor de oxigen și anoxice, dar pătrunde și în straturile complet anoxice. Alte soiuri (sau specii) de acromație trăiesc în izvoarele minerale și în sedimentele sărate ale mlaștinilor de maree.
Acromația își obține energia prin oxidarea hidrogenului sulfurat, mai întâi la sulf (care este stocat sub formă de granule în citoplasmă), iar apoi la sulfați. Este capabil să fixeze carbonul anorganic, dar poate absorbi și compuși organici. Nu este clar dacă este capabil să gestioneze doar metabolismul autotrof sau dacă are nevoie de hrănire organică.
O caracteristică unică a acromației este prezența a numeroase incluziuni mari de calcit coloidal în celulele sale (Fig. 1). De ce bacteriile au nevoie de acest lucru și ce rol joacă carbonatul de calciu în metabolismul său nu este cunoscut cu exactitate, deși există ipoteze plauzibile (V. Salman et al., 2015. Bacteriile mari de sulf acumulate de calcit din gen Acromatiumîn Sippewissett Salt Marsh).
Citoplasma acromației se înghesuie în golurile dintre granulele de calcit, care de fapt o subîmpart în multe compartimente (compartimente) comunicante. Deși compartimentele nu sunt complet izolate, schimbul de materie între ele pare a fi dificil, mai ales că procariotele au sisteme de transport intracelular activ mult mai slabe decât eucariotele.
Și acum s-a dovedit că granulele de calcit nu sunt singura caracteristică unică a acromației. Și nici măcar cel mai uimitor. Într-un articol publicat în jurnal Comunicarea naturii, biologii germani și britanici au raportat rezultate paradoxale în încercările de a citi genomurile celulelor individuale A. oxaliferum de pe fundul sedimentelor lacului Stechlin din nord-estul Germaniei. Aceste rezultate sunt atât de neobișnuite încât este dificil să crezi în ele, deși aparent nu există motive pentru a ne îndoi de fiabilitatea lor: munca a fost efectuată metodologic cu foarte multă atenție.
2. Confirmarea poliploidiei
Deși acromația, așa cum sa menționat deja, se referă la bacterii necultivabile, acest inconvenient este parțial compensat de dimensiunea gigantică a celulelor. Ele sunt clar vizibile la un microscop cu lumină chiar și la o mărire mică și pot fi prelevate manual din mostre de sedimente de fund (trecute anterior printr-un filtru pentru a îndepărta particulele mari). Acesta este modul în care autorii au colectat materiale pentru studiul lor. Celulele A. oxaliferum sunt acoperite cu un înveliș organic, pe suprafața căreia copleșesc diverși conviețuitori - bacterii mici. Toată această microbiotă concomitentă a fost spălată cu grijă de celulele selectate pentru a reduce proporția de ADN străin din probe.
În primul rând, cercetătorii au colorat celulele de acromație cu un colorant fluorescent special pentru ADN, pentru a înțelege cât de mult material genetic este în celulă și cum este distribuit. S-a dovedit că moleculele de ADN nu sunt limitate la nicio zonă a citoplasmei, ci formează multe (în medie, aproximativ 200 pe celulă) acumulări locale în golurile dintre granulele de calcit (Fig. 1, b, d).
Având în vedere tot ceea ce se știe până în prezent despre bacteriile mari și organizarea lor genetică, acest fapt este deja suficient pentru a considera că este dovedit că A. oxaliferum este un poliploid, adică fiecare dintre celulele sale conține nu una, ci multe copii ale genomului.
Cu toate acestea, retrospectiv, este deja clar că o astfel de celulă procariotă uriașă nu s-ar descurca cu o singură copie. Pur și simplu nu ar fi suficient să furnizezi întregii celule transcrierile necesare pentru sinteza proteinelor.
Judecând după faptul că clusterele de ADN diferă în intensitatea fluorescenței, aceste clustere conțin cel mai probabil un număr diferit de cromozomi. Aici este necesar să se facă o rezervare că, de obicei, întregul genom al unei celule procariote este situat pe un cromozom inel. Pentru acromație, acest lucru nu a fost dovedit, dar este foarte probabil. Prin urmare, pentru simplitate, autorii folosesc termenul „cromozom” ca sinonim pentru termenul „o copie a genomului”, iar noi vom proceda la fel.
În această etapă, nu s-a descoperit încă nimic senzațional. Au trecut vremurile în care toată lumea credea că procariotele au întotdeauna sau aproape întotdeauna un singur cromozom circular în fiecare celulă. Astăzi, multe specii de bacterii poliploide și arhee sunt deja cunoscute (vezi Elemente, 14.06.2016).
3. Metagenomul unei comunități cu mai multe specii - într-o singură celulă
Miracolele au început când autorii au început să izoleze ADN-ul din celulele selectate și spălate și să secvențieze. Din 10.000 de celule s-a obținut un metagenom (vezi Metagenomics), adică un set (aproximativ 96 de milioane) de fragmente aleatorii secvențiate scurte de cromozomi (citește) aparținând unor indivizi diferiți și împreună dând o idee despre diversitatea genetică a unui populatie.
Cercetatorii au inceput apoi sa secventieze ADN-ul din celule individuale. În primul rând, fragmente ale genei 16s-rARN au fost izolate din 27 de celule, conform cărora se obișnuiește să se clasifice procariotele și prin care se determină de obicei prezența unuia sau altui tip de microbi în proba analizată. Aproape toate fragmentele izolate au aparținut acromației (adică au coincis aproximativ cu secvențele ARNr-16s ale acromației deja disponibile în bazele de date genetice). De aici rezultă că ADN-ul studiat nu a fost contaminat cu materialul genetic al unor bacterii străine.
S-a dovedit că fiecare celulă A. oxaliferum, spre deosebire de marea majoritate a altor procariote, conține nu una, ci mai multe variante (alele) diferite ale genei 16s-ARNr. Este dificil să se determine numărul exact de variante, deoarece micile diferențe pot fi explicate prin erori de secvențiere și dacă numai fragmente foarte diferite sunt considerate „diferite”, atunci se pune întrebarea, cât costă trebuie să fie foarte diferite. Folosind cele mai stricte criterii, s-a dovedit că în fiecare celulă există aproximativ 4-8 alele diferite ale genei 16s-rARN, iar aceasta este estimarea minimă, dar de fapt, cel mai probabil, există mai multe. Acest lucru contrastează puternic cu situația caracteristică altor procariote poliploide, în care, de regulă, aceeași variantă a unei anumite gene se află pe toți cromozomii unei celule.
Mai mult, s-a dovedit că alelele genei 16s-ARNr sunt prezente în aceeași celulă A. oxaliferum, formează adesea ramuri foarte îndepărtate unele de altele pe un arbore genealogic comun al tuturor variantelor acestei gene găsite (mai devreme și acum) în A. oxaliferum. Cu alte cuvinte, alelele 16s-ARNr dintr-o celulă nu sunt mai mult legate între ele decât alelele luate la întâmplare din celule diferite.
În cele din urmă, autorii au efectuat secvențierea totală a ADN-ului din șase celule individuale. Aproximativ 12 milioane de fragmente aleatorii (citituri) au fost citite pentru fiecare celulă. Într-o situație normală, acest lucru ar fi mai mult decât suficient pentru a folosi programe speciale de calculator pentru a asambla din citiri, folosind părțile lor suprapuse, șase genomi individuale de foarte înaltă calitate (adică citite cu acoperire foarte mare, vezi Acoperire).
Dar nu a fost cazul: deși aproape toate citirile aparțineau indiscutabil acromației (amestecul de ADN străin a fost neglijabil), fragmentele citite au refuzat categoric să fie asamblate în genomi. O analiză ulterioară a clarificat motivul eșecului: s-a dovedit că fragmentele de ADN izolate din fiecare celulă aparțin de fapt nu unuia, ci multor genomi destul de diferiți. De fapt, ceea ce autorii au obținut din fiecare celulă individuală nu este un genom, ci metagenom. Astfel de seturi de citiri sunt de obicei obținute prin analizarea nu a unui organism, ci a întregii populații, care are și un nivel ridicat de diversitate genetică.
Această concluzie a fost confirmată în mai multe moduri independente. În special, sunt cunoscute zeci de gene care sunt aproape întotdeauna prezente în genomii bacterieni într-o singură copie (gene marker cu o singură copie). Aceste gene marker cu o singură copie sunt utilizate pe scară largă în bioinformatică pentru a verifica calitatea ansamblului genomului, a estima numărul de specii din probele metagenomice și pentru alte sarcini similare. Deci, în genomul (sau „metagenomul”) celulelor individuale A. oxaliferum majoritatea acestor gene sunt prezente ca mai multe copii diferite. Ca și în cazul ARNr 16s, alelele acestor gene cu o singură copie găsite în aceeași celulă nu sunt în general mai legate între ele decât sunt alelele din celule diferite. Nivelul diversităţii genetice intracelulare s-a dovedit a fi comparabil cu nivelul diversităţii întregii populaţii, estimat pe baza unui metagenom de 10.000 de celule.
Metagenomica modernă are deja metode care fac posibilă izolarea fragmentelor din multe fragmente eterogene de ADN găsite într-o probă care, cel mai probabil, aparține aceluiași genom. Dacă există suficiente astfel de fragmente, atunci o parte semnificativă a genomului și chiar un genom complet poate fi asamblată din ele. În acest fel, un nou supertip de arhee, asgardarchei, a fost recent descoperit și caracterizat în detaliu (vezi Descris un nou supertip de arhee, căruia îi aparțin strămoșii eucariotelor, „Elemente”, 16.01.2017). Autorii au aplicat aceste metode la „metagenomul” celulelor individuale. A. oxaliferum. Acest lucru a făcut posibilă identificarea în fiecare „metagenom” a 3-5 seturi de fragmente genetice, cel mai probabil corespunzând genomilor circulari individuali (cromozomi). Sau, mai degrabă, fiecărui astfel de set corespunde unui întreg grup de genomi similari. Numărul de genomi diferiți din fiecare celulă A. oxaliferum probabil mai mult de 3-5.
Nivelul diferențelor dintre genomi prezente în aceeași celulă A. oxaliferum, corespunde aproximativ interspecii: bacteriile cu acest nivel de diferențe, de regulă, aparțin unor specii diferite ale aceluiași gen. Cu alte cuvinte, diversitatea genetică prezentă în fiecare celulă individuală A. oxaliferum, comparabil nici măcar cu o populație, ci cu o comunitate cu mai multe specii. Dacă ADN-ul dintr-o singură celulă de acromație ar fi analizat folosind metode moderne de metagenomică „orb”, fără a ști că tot acest ADN provine dintr-o singură celulă, atunci analiza ar arăta fără ambiguitate că mai multe tipuri de bacterii sunt prezente în probă.
4. Transfer intracelular de gene
Deci, la A. oxaliferum a descoperit un tip de organizare genetică fundamental nou, de-a dreptul nemaiauzit. Desigur, descoperirea ridică o mulțime de întrebări și, mai ales, întrebarea „cum poate fi asta?!”
Nu vom lua în considerare varianta cea mai neinteresantă, și anume că toate acestea sunt rezultatul unor erori grosolane făcute de cercetători. Dacă da, vom afla destul de curând: Comunicarea naturii- jurnalul este serios, alte echipe vor dori să repete studiul, așa că este puțin probabil ca o infirmare să întârzie să apară. Este mult mai interesant să discutăm situația pe ipoteza că studiul a fost efectuat cu atenție și rezultatul este de încredere.
În acest caz, trebuie mai întâi să încercați să aflați motivele detectate A. oxaliferum diversitate genetică intracelulară fără precedent: cum se formează, de ce persistă și cum reușește microbul însuși să supraviețuiască în acest proces. Toate aceste întrebări sunt foarte dificile.
În toate celelalte procariote poliploide studiate până în prezent (inclusiv arheea iubitoare de sare cunoscută cititorilor „Elementelor”) Haloferax volcanii) toate copiile genomului prezente în celulă, indiferent câte ar fi, sunt foarte asemănătoare între ele. Nimic nu se aseamănă cu diversitatea intracelulară colosală găsită în A. oxaliferum, nu sunt respectate. Și acesta nu este în niciun caz un accident. Poliploidia oferă procariotelor o serie de avantaje, dar contribuie la acumularea necontrolată de mutații dăunătoare recesive, care în cele din urmă pot duce la dispariție (pentru mai multe detalii, vezi știrea Poliploidia strămoșilor eucarioți - cheia înțelegerii originii mitozei și meiozei, „Elemente”, 14.06.2016).
Pentru a evita acumularea încărcăturii mutaționale, procariotele poliploide (și chiar plastidele poliploide ale plantelor) utilizează în mod activ conversia genelor - o variantă asimetrică a recombinării omoloage, în care două alele nu își schimbă locul, trecând de la cromozom la cromozom, ca în crossing over, și una dintre alele este înlocuită cu alta. Acest lucru duce la unificarea cromozomilor. Datorită conversiei genice intensive, mutațiile dăunătoare sunt fie rapid „suprascrise” de versiunea necoruptă a genei, fie intră într-o stare homozigotă, apar în fenotip și sunt respinse prin selecție.
La A. oxaliferum Conversia genelor și unificarea cromozomilor, cel mai probabil, au loc și ele, dar nu la scara întregii celule, ci la nivelul „compartimentelor” individuale - goluri între granulele de calcit. Prin urmare, diferite variante ale genomului se acumulează în diferite părți ale celulei. Autorii au verificat acest lucru prin colorarea selectivă a diferitelor variante alelice ale genei ARNr 16s (vezi Fluorescent in situ hibridizare). S-a dovedit că în diferite părți ale celulei, concentrația diferitelor variante alelice diferă cu adevărat.
Cu toate acestea, acest lucru este încă insuficient pentru a explica cel mai înalt nivel de diversitate genetică intracelulară găsit în A. oxaliferum. Autorii văd cauza sa principală în ratele ridicate de mutageneză și rearanjamentele genomice intracelulare. Compararea fragmentelor de cromozomi din aceeași celulă a arătat că acești cromozomi, aparent, duc o viață foarte agitată: mută constant, rearanjează și schimbă părți. La A. oxaliferum din Lacul Stechlin, numărul de elemente genetice mobile este mult crescut în comparație cu alte bacterii (inclusiv cele mai apropiate rude - acromații din mlaștini sărate, în care nivelul diversității intracelulare, judecând după datele preliminare, este mult mai scăzut). Activitatea elementelor transpozabile contribuie la rearanjamentele genomice frecvente și la transferul segmentelor de ADN de la un cromozom la altul. Autorii chiar au venit cu un termen special pentru aceasta: „transferul de gene intracelulare” (iGT), prin analogie cu toate transferurile de gene orizontale cunoscute (HGT).
Una dintre cele mai clare dovezi ale rearanjamentelor frecvente ale cromozomilor A. oxaliferum- o ordine diferită a genelor în diferite versiuni ale genomului, inclusiv în cadrul aceleiași celule. Chiar și în unele operoni conservatori (se modifică rar în cursul evoluției), genele individuale sunt uneori localizate în secvențe diferite pe cromozomi diferiți în cadrul aceleiași celule.
Figura 2 prezintă schematic principalele mecanisme care, conform autorilor, creează și mențin un nivel ridicat de diversitate genetică intracelulară în A. oxaliferum.
5. Selecția intracelulară
Rearanjamente frecvente, transfer de gene intracelulare, o rată mare de mutageneză - chiar dacă toate acestea pot explica cel puțin diversitatea genetică intracelulară ridicată (și cred că nu poate, vom vorbi despre asta mai jos), rămâne neclar cum se descurcă acromația în astfel de condiții să rămână viabile. La urma urmei, marea majoritate a mutațiilor și rearanjamentelor non-neutre (care influențează fitnessul) trebuie să fie dăunătoare! Procariotele poliploide au deja o tendință crescută de a acumula încărcătură mutațională și, dacă permitem și rate ultra-înalte de mutageneză, devine complet de neînțeles cum poate exista o astfel de creatură precum acromația.
Și aici autorii au prezentat o ipoteză cu adevărat inovatoare. Ei sugerează că selecția naturală în acromație operează nu atât la nivelul celulelor întregi, ci la nivelul compartimentelor individuale - goluri slab comunicante între granulele de calcit, în fiecare dintre care, probabil, se înmulțesc propriile variante ale genomului.
La prima vedere, presupunerea poate părea sălbatică. Dar dacă te gândești bine, de ce nu? Pentru a face acest lucru, este suficient să presupunem că fiecare cromozom (sau fiecare grup local de cromozomi similari) are o „rază de acțiune” limitată, adică proteinele codificate în acest cromozom sunt sintetizate și funcționează în principal în imediata sa vecinătate și sunt nu se amestecă uniform în toată celula. Cel mai probabil, așa cum este. În acest caz, acele compartimente în care se află cromozomii mai reușiți (conținând un minim de mutații nocive și maxime benefice) își vor replica cromozomii mai repede, vor fi mai mulți, vor începe să se răspândească în interiorul celulei, deplasând treptat copiile mai puțin reușite. a genomului din compartimentele învecinate. Este posibil să ne imaginăm așa ceva.
6. Diversitatea genetică intracelulară are nevoie de mai multe explicații
Ideea selecției intracelulare intensive a genomului, care răspunde la o întrebare (de ce acromația nu se stinge la o rată atât de mare de mutageneză), creează imediat o altă problemă. Faptul este că, datorită unei astfel de selecții, copiile mai reușite (replicare mai rapidă) ale genomului trebuie să forțeze copiile mai puțin reușite în interiorul celulei, inevitabil. coborândîn timp ce diversitatea genetică intracelulară. Cea pe care am vrut să o explicăm de la bun început.
Mai mult, este clar că diversitatea genetică intracelulară trebuie să scadă brusc cu fiecare diviziune celulară. Diferiți cromozomi se află în compartimente diferite, prin urmare, în timpul diviziunii, fiecare celulă fiică va primi nu toate, ci doar câteva dintre variantele genomului pe care le are celula mamă. Acest lucru este vizibil chiar și în Fig. 2.
Selecția intracelulară plus compartimentarea genomilor sunt două mecanisme puternice care trebuie să reducă diversitatea internă atât de rapid încât nicio rată de mutageneză imaginabilă (compatibilă cu viața) nu îi poate rezista. Astfel, diversitatea genetică intracelulară rămâne inexplicabilă.
Discuând rezultatele obținute, autorii se referă în mod repetat la munca noastră, care este descrisă în știrea Poliploidia strămoșilor eucarioți este cheia înțelegerii originii mitozei și meiozei. În special, ei menționează că este foarte benefic pentru procariotele poliploide să facă schimb de material genetic cu alte celule. Cu toate acestea, ei cred că schimbul genetic intercelular nu joacă un rol important în viața Achromatium. Acest lucru este justificat de faptul că, deși genele pentru absorbția ADN-ului din mediul extern (transformare, vezi Transformare) au fost găsite în metagenomul Achromatium, nu există gene pentru conjugare (vezi Conjugare bacteriană).
În opinia mea, arhitectura genetică a acromației nu se referă la conjugare, ci la modalități mai radicale de amestecare a materialului genetic al diferiților indivizi, cum ar fi schimbul de cromozomi întregi și fuziunea celulară. Judecând după datele obținute, din punct de vedere genetic, celula A. oxaliferum este ceva asemănător cu un plasmodium sau sincitiu procariot, precum cele care se formează ca urmare a fuziunii multor celule diferite din punct de vedere genetic în mucegaiurile slime. Reamintim că acromația este o bacterie necultivată, așa că este posibil ca unele elemente ale ciclului său de viață (cum ar fi fuziunea periodică a celulelor) să scape de atenția microbiologilor.
În favoarea faptului că se formează diversitatea genetică intracelulară a acromației nu intracelular, este dovedit de unul dintre principalele fapte descoperite de autori, si anume, ca alelele multor gene situate in aceeasi celula formeaza ramuri departe unele de altele pe arborele filogenetic. Dacă toată diversitatea intracelulară a alelelor s-ar forma în celulele care se reproduc clonal care nu schimbă genele între ele, atunci s-ar putea aștepta ca alelele dintr-o celulă să fie mai legate între ele decât alelele din celule diferite. Dar autorii au arătat în mod convingător că nu este cazul. În general, aș paria că fuziunea celulară este prezentă în ciclul de viață al acromației. Aceasta pare a fi cea mai economică și plauzibilă explicație pentru enorma diversitate genetică intracelulară.
În partea finală a articolului, autorii sugerează că arhitectura genetică a acromației poate arunca lumină asupra originii eucariotelor. Ei au spus-o astfel: Apropo, Markov și Kaznacheev au sugerat că, la fel ca acromația din Lacul Shtekhlin, celulele proto-eucariote ar putea muta rapid, diversificându-și cromozomii, bacteriile poliploide/arheile.". Foarte corect, dar am arătat și că o astfel de creatură nu ar putea supraviețui fără un schimb genetic interorganism intens. Să sperăm că cercetările ulterioare vor face lumină asupra misterelor rămase nerezolvate ale acromației.
Pitici și uriași printre bacterii
Bacteriile sunt cele mai mici organisme vii care sunt cea mai comună formă de viață pe Pământ. Bacteriile obișnuite sunt de aproximativ 10 ori mai mici decât o celulă umană. Dimensiunea lor este de aproximativ 0,5 microni și pot fi văzute doar cu un microscop. Cu toate acestea, în lumea bacteriilor, se dovedește că există și pitici și giganți. Unul dintre acesti giganti este bacteria Epulopiscium fishelsoni, ale carei dimensiuni ajung la jumatate de milimetru! Adică ajunge la dimensiunea unui grăunte de nisip sau a unui grăunte de sare și poate fi văzută cu ochiul liber.
Reproducerea Epulopiscium
Au fost efectuate studii la Academia Cornish pentru a determina motivele unor dimensiuni atât de mari. După cum sa dovedit, bacteria stochează 85.000 de copii de ADN. Prin comparație, în celulele umane se găsesc doar 3 copii. Această creatură drăguță locuiește în tractul digestiv al peștelui tropical de recif Acanthurus nigrofuscus (pește chirurg).
Speciile obișnuite de bacterii sunt foarte mici și primitive, nu au organe și nutriția are loc prin coajă. Nutrienții sunt distribuiti uniform în organismul bacteriilor, așa că ar trebui să fie mici. Spre deosebire de ei, Epulopiscium își copiază ADN-ul de multe ori, distribuie copii uniform de-a lungul cochiliei și primesc suficientă nutriție. Această structură îi oferă capacitatea de a răspunde instantaneu la stimuli externi. Spre deosebire de alte bacterii și de modul în care se împarte. Dacă bacteriile obișnuite se împart pur și simplu în jumătate, atunci ea crește două celule în interiorul ei, care, după moartea ei, pur și simplu ies afară.
Perla de sulf din Namibia
Cu toate acestea, chiar și atât de departe de a fi o bacterie mică nu poate fi comparată cu cea mai mare bacterie din lume, care este considerat Thiomargarita namibiensis, altfel „perla de sulf din Namibia” - o bacterie marina gram-negativă, descoperită în 1997. Nu numai că constă dintr-o singură celulă, dar îi lipsește și un schelet de susținere, în același mod în care fac eucariotele. Dimensiunile Thiomargarita ajung la 0,75-1 mm, ceea ce vă permite să o vedeți cu ochiul liber.
După tipul de metabolism, Thiomargarita este un organism care primește energie ca urmare a reacțiilor de reducere-oxidare și poate folosi nitrat ca obiect final care primește electroni. Celulele perlei de sulf din Namibia sunt imobile și, prin urmare, conținutul de nitrați poate fluctua. Thiomargarita poate stoca nitrat în vacuola, care ocupă aproximativ 98% din întreaga celulă. La o concentrație scăzută de nitrat, conținutul acestuia este folosit pentru respirație. Sulfurile sunt oxidate de nitrați la sulf, care este colectat în mediul intern al bacteriei sub formă de granule mici, ceea ce explică culoarea perlă a Thiomargarita.
Studiul Thiomargarita
Studii recente au arătat că Thiomargarita namibiensis poate să nu fie obligatorie, ci un organism facultativ care obține energie fără prezența oxigenului. Este capabil să respire oxigen dacă acest gaz este suficient. O altă trăsătură distinctivă a acestei bacterii este posibilitatea diviziunii palintomice, care are loc fără o creștere a creșterii intermediare. Acest proces este folosit de Thiomargarita namibiensis în condiții de stres cauzate de foame.
Bacteria a fost descoperită în sedimentele de fund de pe marginea aplatizată a continentului, lângă coasta Namibiei, de către Heide Schulz, biolog german și colegii ei, în 1997, iar în 2005, în rocile reci din fundul Golfului Mexic. , a fost găsită o tulpină similară, ceea ce confirmă distribuția largă a perlei de sulf din Namibia.
Viktor Ostrovsky, Samogo.Net
