На чем основано утверждение что бактерии это прокариотические организмы
На чем основано утверждение что бактерии это прокариотические организмы
Подробное решение страница стр.142 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Захаров В.Б., Мамонтов С.Г. Углубленный уровень 2015
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
Вопрос 1. Что такое органоиды клетки?
Вопрос 2. На чём основано деление всех живых организмов на две группы — прокариоты и эукариоты?
Основным признаком, позволяющим разделить организмы на эти две группы, является наличие или отсутствие оформленного ядра.
У прокариот ядро отсутствует, и генетический материал, представленный кольцевидной молекулой ДНК, свободно лежит в цитоплазме.
У эукариот ядро имеется, и генетический материал окружен двойной ядерной мембраной.
Вопрос 3. Какие организмы относят к прокариотам?
К прокариотам относятся бактерии и цианеи (сине-зеленые водоросли).
Вопрос 4. Каким образом осуществляется регуляция активности генов прокариотических организмов?
Изучение регуляции генной активности у прокариот привело французских микробиологов Ф. Жакоба и Ж. Моно к созданию (1961) оперонной модели регуляции транскрипции. Оперон — это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований. Например, это могут быть гены, которые детерминируют синтез ферментов, участвующих в метаболизме какого-либо вещества или в синтезе какого-то компонента клетки. Оперонная модель регуляции экспрессии генов предполагает наличие единой системы регуляции у таких объединенных в один оперон структурных генов, имеющих общий промотор и оператор.
Особенностью прокариот является транскрибирование мРНК со всех структурных генов оперона в виде одного полицистронного транскрипта, с которого в дальнейшем синтезируются отдельные пептиды.
Вопрос 5. Опишите строение бактериальной клетки.
Вопрос 6. Как размножаются бактерии?
Вопрос 7. В чём заключается сущность процесса спорообразования у бактерий?
В неблагоприятных условиях среды многие прокариоты образуют споры. Спорообразование выражается в выделении нее большого участка цитоплазмы, содержащего кольцевидную хромосому, и окружений его толстой многослойной капсулой. Метаболизм внутри споры практически прекращается, спора обызвествляется. В сухом состоянии споры могут сохранять свою жизнеспособность сотни и тысячи лет. Попадая в благоприятные условия, спора «прорастает» и дает начало полноценной активной прокариотической клетке.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ
Вопрос 1. В чём состоит значение прокариот в биоценозах? Расскажите об их экологической роли.
Бактерии активно участвуют в движении веществ и энергии по пищевым цепям биоценозов. Многие из них являются редуцентами: разлагают растительные и животные остатки и отходы жизнедеятельности организмов, играют важнейшую роль в почвообразовании. В результате их деятельности образуются углекислый газ, вода, минеральные соли, которые вновь вступают в круговорот веществ. Ряд бактерий (в частности, клубеньковые) способны усваивать атмосферный азот и переводить его в доступные для растений формы. В сельском хозяйстве истощенные поля засевают бобовыми для того, чтобы клубеньковые бактерии, живущие на корнях этих растений, повысили уровень азота в почве и сделали ее более плодородной. В кишечнике животных обитают бактерии, способствующие перевариванию клетчатки (целлюлозы). Чрезвычайно важна также роль болезнетворных бактерий-паразитов, вызывающих заболевания растений и животных. Наконец, существует особая группа прокариот, с древнейших времен способных к фотосинтезу, — цианобактерии. В водных биоценозах они, наряду с водорослями, являются важнейшими автотрофами (продуцентами кислорода и органических веществ).
Вопрос 2. Каким образом болезнетворные микроорганизмы влияют на состояние макроорганизма (хозяина)?
В самом простом случае болезнетворные микроорганизмы лишь «крадут» питательные вещества хозяина. При этом происходит постепенное истощение макроорганизма; заболевание развивается медленно, почти незаметно. Однако часто бактерия-паразит выделяет токсины, отравляющие организм хозяина и повреждающие его органы и клетки. В некоторых случаях повреждения настолько серьезны, что в течение нескольких дней могут привести к гибели (чума, холера и др.). Воздействуя на иммунную систему хозяина, микроорганизм снижает ее способность сопротивляться возбудителям других инфекций (тогда к основному заболеванию присоединяются дополнительные) либо может провоцировать аутоиммунные реакции. В некоторых случаях токсины бактерий способны вызывать мутагенные эффекты.
На чем основано утверждение что бактерии это прокариотические организмы
Ключевые слова конспекта: надцарство Прокариоты, царство Археи (архебактерии), царство Бактерии (эубактерии), цианобактерии, жизнедеятельность бактерий, роль и значение бактерий, антибиотики, микоплазмы.
Надцарство ПРОКАРИОТЫ
В надцарство Прокариоты объединяются одноклеточные организмы с прокариотическим типом строения клетки. Это древнейшие известные организмы; они появились на Земле около 3,5 млрд лет назад.
В настоящее время прокариоты очень многочисленны, они населяют все среды обитания (воздух, воду, почву и другие организмы). В атмосфере они присутствуют в каплях воды и частичках пыли; встречаются на высоте до 8 км. Прокариоты населяют все водоёмы Земли: горячие кислотные источники (с температурой выше 90 °С), океанические разломы (при температуре выше 360 °С). Они найдены во льдах Антарктики, взятых с глубины более 430 м. Огромное число бактерий обитает в почве, они играют важную роль в круговороте различных химических элементов. Обитая в других организмах, они могут быть возбудителями различных заболеваний (бактериальные инфекции) или помогать организму хозяина переваривать пищу (жвачные животные и термиты).
Некоторые прокариоты — автотрофы, осуществляющие фото- или хемосинтез, другие — гетеротрофы.
Прокариот принято делить на два царства: царство Эубактерии (Бактерии) и царство Архебактерии (Археи).
Царство БАКТЕРИИ
Эубактерии — большая группа организмов, к которой относятся бактерии, цианобактерии и микоплазмы. В школьной литературе принято называть эубактерий просто бактериями. На сегодня описано около 10 000 видов и предполагается, что их существует свыше миллиона. Обычно имеют небольшие размеры, прокариотический тип организации клетки.
По форме клетки бактерии делятся на кокки — более или менее сферические, бациллы — палочки или цилиндры с закруглёнными концами, спириллы — спиралевидные; вибрионы — короткие палочки, изогнутые в виде запятой. Бактерии относятся к одноклеточным организмам, но иногда после деления могут оставаться вместе, скрепляясь при помощи клеточных стенок или слизистых капсул. Кокки могут образовывать пары (диплококки), цепочки (стрептококки) или грозди (стафилококки); бациллы — нити. Цианобактерии могут образовывать нити длиной до 1 м, иногда собранные в округлые колонии.
Подавляющее большинство эубактерий относятся к гетеротрофам, которые делятся на три группы по образу жизни:
Жизнедеятельность бактерий
Питание:
Дыхание:
Движение:
Размножение:
Типы полового процесса у бактерий:
При неблагоприятных условиях бактеpии образуют споры, имеющие плотные капсулы. Эти споры выдерживают кипячение, замораживание, высушивание. Они способны находиться в неактивном состоянии в течение многих лет.
Почти все бактеpии содержат мелкие добавочные хромосомы — плазмиды, которые могут встраиваться в нуклеоид. Зачастую плазмиды содержат гены, обусловливающие устойчивость к антибиотикам. Обмен плазмидами (в результате конъюгации) может происходить между различными видами и даже родами бактерий.
Роль и значение бактерий
Положительная роль:
Отрицательная роль:
Антибиотики — химические вещества, выделяемые бактериями и грибами для угнетения других микроорганизмов.
Открытие антибиотиков (пенициллина) в 1929 г. А. Флемингом обусловило значительный прогресс в лечении бактериальных инфекций (пенициллин начали применять в медицине с 1941 г.). Механизм их действия различен: часть антибиотиков (пенициллины) нарушает синтез клеточной оболочки; другие (тетрациклин, стрептомицин и др.) нарушают синтез белка, инактивируя бактериальные рибосомы. Сульфаниламидные препараты подавляют синтез фолиевой кислоты в бактериальных клетках.
Большинство антибиотиков получают в культурах микроорганизмов, и лишь небольшое число — путём химического синтеза. На основе природных антибиотиков получено большое число синтетических (например, ампициллин, цефалексин и др.).
У бактерий достаточно быстро развивается устойчивость к определённым антибиотикам (часто она передаётся с плазмидами), поэтому постоянно разрабатываются новые, всё более мощные антибиотики. Антибиотики способствуют возникновению бактерий, лишённых клеточной стенки. Эти бактерии менее болезнетворны, но способны длительное время сохраняться в поражённом организме. Применение антибиотиков нарушает нормальную микрофлору кожи и кишечника. По этой причине лечение антибиотиками допустимо только по назначению врача, с соблюдением всех его рекомендаций.
Цианобактерии
Цианобактерии — фототрофные, прокариотические организмы, окрашенные в сине-зеленый цвет. Характерные черты:
Микоплазмы
Микоплазмы широко распространены в природе; некоторые из них ведут сатротрофный образ жизни, другие — паразитируют в организме животных и растений. У человека микоплазмы вызывают заболевания дыхательных путей, в том числе воспаление лёгких (пневмонию), а также воспалительные заболевания мочеполовой системы. Микоплазмы нечувствительны к антибиотикам (например, к пенициллину), которые подавляют рост бактерий, воздействуя на их клеточную стенку.
Это конспект по теме «Прокариоты. ЦАРСТВО БАКТЕРИИ». Выберите дальнейшие действия:
Бактерии
Строение бактерий
Спешу сообщить, что на данный момент установлено однозначно: мезосомы это складки цитоплазматический мембраны, образующиеся только лишь при подготовке бактерий к электронной микроскопии (это артефакты, в живой бактерии их нет).
В состоянии споры бактерии очень устойчивы к изменениям температуры, механическим и химическим факторам. При изменении условий среды на благоприятные, бактерии покидают спору и приступают к размножению.
Энергетический обмен бактерий
Бактерии получают энергию за счет окисления веществ. Существуют аэробные бактерии, живущие в воздушной среде, и анаэробные бактерии, которые могут жить только в условиях отсутствия кислорода.
Получают энергию бактерии путем хемо- или фотосинтеза. Среди хемосинтезирующих бактерий можно встретить нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии.
Важно заметить, что клубеньковые бактерии (азотфиксирующие) не осуществляют хемосинтез: клубеньковые бактерии относятся к гетеротрофам.
Среди фотосинтезирующих бактерий особое место принадлежит цианобактериями (сине-зеленым водорослям). Благодаря им сотни миллионов лет назад возник кислород, а с ним и озоновый слой: появилась жизнь на поверхность земли и аэробный тип дыхания (поглощение кислорода), которым мы сейчас с вами пользуемся 🙂
Биотехнология
Бактерии используются для получения антибиотиков (тетрациклина, стрептомицина, грамицидина), широко применяемых в медицине. Бактерии также применяют в пищевой промышленности, где их используют для получения молочнокислых продуктов, алкогольных напитков.
Классификация бактерий по форме
При микроскопии становятся заметны явные отличия форм бактерий.
Размножение бактерий
В ходе бинарного деления бактерия делится на две дочерние клетки, являющиеся генетическими копиями материнской. Деление в среднем происходит раз в 20 минут, популяция бактерий растет в геометрической прогрессии.
Бактериальные инфекции
Многие патогенные бактерии приводят к развитию тяжелых заболеваний у человека. На настоящий момент при бактериальных инфекциях применяются антибиотики, дающие хороший эффект.
От некоторых болезней: дифтерия, коклюш и т.д. разработаны вакцины, дающие стойкий пожизненный иммунитет. После вакцинации образуются антитела к возбудителю, вследствие чего организм становится защищен от подобных инфекций: при встрече с возбудителем человек не заболевает, или переносит болезнь в легкой форме.
К бактериальным инфекциям относятся: чума, дифтерия, туберкулез, коклюш, гонорея, сифилис, тиф, столбняк, брюшной тиф, сальмонеллез, дизентерия, холера. Ниже вы можете видеть возбудителей данных заболеваний и место их локализации в организме.
При проведении медицинских процедур локального кварцевания (облучения УФ отдельных участков) тела следует надевать защитные очки для избежания ожога сетчатки глаза. При кварцевании помещений следует покинуть их по той же причине.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Бактерии-прокариоты – живые «кирпичики» эволюции
Бактерии – это прокариоты: по каким признакам они являются представителями этого царства, особенности организмов
Первые живые организмы (прокариоты), послужившие исходным материалом для эволюции жизни на Земле, имели очень примитивное строение. Бактерии относят к прокариотам, поскольку у них нет ядра и других органелл, присущих более развитым формам жизни.
Представители царства прокариотов
Название «прокариоты» происходит от древнегреческих слов «перед» и «ядро», т. е. это организмы, существовавшие еще до появления в клетках ядер. Это своеобразные предки эукариотов – видов, которые имеют оформленное клеточное ядро.
Прокариоты – это одноклеточные бактерии, в которых нет четко оформленного ядра клетки, ограниченного ядерной оболочкой, и дополнительных мембранных органоидов. Вместо этого прокариоты используют структуру, состоящую из ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), белков и РНК (рибонуклеиновой кислоты).
Исключение составляют фотосинтезирующие организмы, например, цианобактерии (сине-зеленые водоросли), которые имеют плоские цистерны – мембранная структура, обеспечивающая процесс жизнедеятельности клетки. Эта группа бактерий содержит зеленые и синие пигменты и участвует в процессе фотосинтеза, насыщая атмосферу кислородом.
Еще один представитель царства прокариотов – археи (лат. «древний, первозданный»). Эти одноклеточные бактерии интересны не только тем, что у них нет ядра, но и особенностями питания.
Так, они могут существовать и находить пищу в самых экстремальных условиях – в горячих источниках и соленых озерах. Археи широко распространены в океанах, почве, болотах, даже в организме человека.
Эти бактерии играют одну из ведущих ролей в круговороте углерода и азота на нашей планете.
Итак, к прокариотам относятся все бактерии, включая сине-зеленые водоросли и археи. Некоторые ученые относят к царству прокариотов и вирусы, но общего мнения на их счет пока не существует, так как некоторые биологи не считают вирусы живыми организмами.
Считается, что прокариоты появились около 3,5 млрд лет назад, и только через 2,5 млрд лет после них возникли первые эукариотные клетки. Все микроорганизмы, входящие в царство прокариотов, так или иначе способствовали созданию и поддержанию жизни на Земле.
Характеристика и строение
В среднем размер клетки-прокариота от 1 до 10 мкм. Мы уже знаем, что бактерии – это прокариоты, у которых нет клеточного ядра.
Вместо него в клетке находится единственная крупная кольцевая или линейная молекула ДНК. Эта молекула содержит основную часть генетического материала клетки и называется нуклеоид («подобный ядру»).
Прокариоты считают предками митохондрий и пластид – энергетических станций клеток эукариотов.
Нити ДНК и белки (гистоны) в прокариотических клетках не взаимодействуют, в отличие от клеток эукариот. Однако, по аналогии, комплекс ДНК и белков называют хромосомой. Хромосома прокариота крепится к мембране клетки, как правило, в одной точке. При удвоении хромосомы копии расходятся в разные стороны, образуя новые клетки, т.е. размножаются простым делением.
В отличие от эукариотов в этих микроорганизмах нет митохондрий, эндоплазматической сети и других органоидов. То есть как более примитивные организмы прокариоты не содержат тех мембранных структур, которые упорядочивают строение эукариотов.
Среда обитания прокариотов практически ничем не ограничена. Выживать в любых условиях бактериям помогают особенности их способов получения пищи:
Клетки прокариотов могут иметь различную форму: прямые или изогнутые палочки, шарики. Часто их клетки образуют колонии в виде нити или грозди, могут быть неподвижными или передвигаться с помощью жгутиков.
Эукариоты и прокариоты различаются настолько сильно, что ученые-систематики относят их к самым крупным подразделениям живой природы – царствам.
Поставщики кислорода и азота
Одним из ярких представителей царства прокариотов являются цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Эти бактерии считают наиболее близкими к первым ископаемым микроорганизмам, найденным учеными. Возраст предков сине-зеленых водорослей составляет примерно 3,5 млрд лет.
Сине-зеленые водоросли – это единственные бактерии, способные выделять кислород. Правда, для самих водорослей это побочный продукт, но для существования жизни на нашей планете это одно из основных условий.
Сине-зеленые водоросли очень сложно организованы и имеют различные формы и размеры. Эти микроорганизмы способны даже менять свой цвет от темно-синего до светло-зеленого в зависимости от спектрального состава света.
Кроме способности выделять кислород, сине-зеленые водоросли имеют еще одну очень полезную черту – они могут связывать атмосферный азот и делать его доступным для других живых организмов. Эта последняя способность делает сине-зеленые водоросли незаменимыми для всех растений, которые не могут самостоятельно добывать азот из окружающей среды.
Вирусы – живая или неживая материя?
Вирусы поражают все типы живых организмов: растения, животных, бактерии, даже сами вирусы. Вирусы бактерий называют бактериофагами, а вирусы других вирусов – вирусы-сателлиты (простите за тавтологию).
Вирусы относят к неклеточной форме жизни. Они занимают положение между живой и неживой материей. У вирусов нет цитоплазмы и других клеточных органоидов. Отсутствие собственного обмена веществ роднит вирусы с неживой природой.
Вместе с тем вирусы отлично живут и размножаются внутри клеток других организмов, что делает их схожими с живыми существами. Но вне клетки-хозяина вирус существует только в кристаллической форме.
При изучении особенностей строения и поведения вирусов становится понятно, почему наука никак не определится с их принадлежностью.
Царство грибов
Грибы относят к эукариотам, но по размеру генома они приближаются к прокариотам. То есть в клетках грибов есть ядро с ДНК-структурой, но процесс передачи генной информации может происходить и при помощи вирусов. Размер генома грибов и размер хромосом значительно меньше, чем у других видов эукариотов.
Точное определение царства грибов отсутствует, но их изучение необходимо для понимания эволюции жизни на Земле.
Горизонтальный перенос генов
Впервые этот процесс был описан в Японии в 1959 г. Горизонтальный перенос генов имеет широкое распространение в царстве прокариотов и даже у некоторых эукариотных клеток.
В отличие от привычного нам вертикального переноса генов (от предка к потомку) смысл горизонтального процесса заключается в передаче генного материала организму, не являющемуся потомком исходной клетки.
Именно такой принцип использует современная генная инженерия.
Открытие такого обмена генным материалом повлияло на учение об эволюции жизни. Раньше ученые считали, что виды не могут обмениваться наследственной информацией между собой.
Однако прокариоты передают генную информацию как самостоятельно, так и с помощью вирусов-бактериофагов.
То есть в прошлом нашей планеты, населенной древними микроорганизмами, существовал массированный перенос генетической информации, что не могло не повлиять на то, каким путем пошел процесс эволюции на Земле.
Все, что нужно знать о бактериях
В этот самый момент, человек, когда ты читаешь эти строки, ты получаешь пользу от работы бактерий.
От кислорода, который мы вдыхаем, до питательных веществ, которые извлекает желудок из еды, нам нужно благодарить бактерий за процветание на этой планете.
В нашем организме микроорганизмов, включая бактерий, больше, чем наших собственных клеток примерно в десять раз. По сути, мы больше микробы, чем люди.
Только недавно мы начали понемногу понимать микроскопические организмы и их влияние на нашу планету и здоровье, но история показывает, что много веков назад наши предки уже использовали мощь бактерий, ферментируя продукты питания и напитки (кто-нибудь слышал о хлебе и пиве?).
В 17 веке мы начали изучать бактерий уже непосредственно в наших телах в тесной связи с нами — во рту. Любопытство Антони ван Левенгука позволило обнаружить бактерии, когда он изучал бляшку между его собственными зубами.
Ван Левенгук поэтически описал бактерий, обозначив бактериальную колонию на своих зубах как «немного белого вещества, похожего на застывшее тесто». Разместив образец под микроскопом, ван Левенгук увидел, что микроорганизмы движутся.
Вы должны знать, что бактерии сыграли важнейшую роль для Земли, став ключевым моментом в создании пригодного для дыхания воздуха и биологического богатства планеты, которую мы зовем домом.
В этой статье мы предоставим вам общую картину об этих крошечных, но очень влиятельных микроорганизмах. Мы рассмотрим хорошие, плохие и совершенно причудливые способы, которыми бактерии формируют историю человека и окружающей среды. Для начала рассмотрим, чем бактерии отличаются от других видов жизни.
Основы бактерий
Что ж, если бактерии незаметны невооруженному глазу, откуда мы можем знать так много о них?
Ученые разработали мощные микроскопы, чтобы взглянуть на бактерий — их размеры варьируются от одного до нескольких микрон (миллионной части метра) — и выяснить, как они соотносятся с другими формами жизни, растениями, животными, вирусами и грибками.
Как вы, возможно, знаете, клетки — это строительные кирпичики жизни, из них состоят и ткани нашего тела, и дерево, которое растет за окном.
Люди, животные и растения обладают клетками с генетической информацией, заключенной в мембране под названием ядро.
Эти типы клеток, которые называются эукариотическими, обладают специальными органеллами, каждая из которых выполняет уникальную работу, помогая клетке работать.
Бактерии, однако, не имеют ядер, и их генетический материал (ДНК) свободно плавает внутри клетки. У этих микроскопических клеток нет органелл и они обладают другими методами воспроизводства и передачи генетического материала. Бактерии считаются прокариотическими клетками.
Основные категории бактерий ученые оценивают по следующим параметрам:
Выживают ли бактерии в среде с кислородом или без
Их форма: палочки (bacillus), круги (cocci) или спирали (spirillum)
Являются ли бактерии грамотрицательными или грамположительными, то есть обладают ли внешней защитной мембраной, препятствующей окрашиванию внутренностей клетки
Как бактерии перемещаются и изучают окружающую среду (у многих бактерий есть жгутики, крошечные плетевидные структуры, которые позволяют им передвигаться в среде)
Похожие на бактерии прокариоты, ныне классифицирующиеся как археи, когда-то были вместе с бактериями, но когда ученые узнали о них больше, они предоставили бактериям и археям собственные категории.
Микробное питание (и миазма)
Как и людям, животным и растениям, бактериям нужна пища для выживания.
Некоторые бактерии — автотрофы — используют основные ресурсы вроде солнечного света, воды и химических веществ из окружающей среды для создания пищи (подумайте о цианобактериях, которые превращали солнечный свет в кислород в течение 2,5 миллионов лет). Другие бактерии ученые называют гетеротрофами, потому что они черпают энергию из существующих органических веществ в качестве пищи (к примеру, мертвые листья на лесной почве).
Правда в том, что то, что может быть вкусным для бактерий, будет нам противно. Они развивались, чтобы поглощать все типы продуктов, от разливов нефти и побочных продуктов ядерного распада до человеческих отходов и продуктов разложения.
Но склонность бактерий к конкретному источнику питания может принести пользу обществу. К примеру, специалисты по искусствам из Италии обратились к бактериям, которые могут поедать избыточные слои соли и клея, снижающие долговечность бесценных художественных произведений. Умение бактерий перерабатывать органические вещества также очень полезно для Земли, как в почве, так и в воде.
Исходя из ежедневного опыта, вы хорошо знакомы с запахом, который вызывают бактерии, поглощающие содержимое вашей мусорной корзины, перерабатывая остатки пищи и испуская собственные газообразные побочные продукты. Однако этим все не ограничивается. Вы также можете обвинить бактерии в том, что они вызывают эти неловкие моменты, когда вы сами испускаете газы.
Одна большая семья
Бактерии растут и образуют колонии, когда выпадает шанс. Если еда и экологические условия являются благоприятными, они размножаются и образуют липкие скопления, так называемые биопленки, чтобы выжить на разных поверхностях — от горных пород до зубов вашего рта.
У биопленок есть свои плюсы и минусы. С одной стороны, они взаимовыгодны природным объектам (мутуализм). С другой же — они могут быть серьезной угрозой.
К примеру, врачи, которые лечат пациентов с медицинскими имплантатами и устройствами, серьезно озабочены биопленками, поскольку они представляют собой этакую недвижимость для бактерий.
После колонизации биопленки могут вырабатывать побочные продукты, которые токсичны — а иногда и смертельны — для человека.
Как и люди в городах, клетки в биопленке сообщаются друг с другом, обмениваются информацией о продуктах питания и потенциальной опасности. Но вместо того, чтобы звонить соседям по телефону, бактерии отправляют записки с помощью химических веществ.
Также бактерии не боятся жить самостоятельно. Некоторые виды разработали интересные способы, чтобы выживать в суровых условиях. Когда еды больше нет, а условия становятся невыносимыми, бактерии консервируют себя, создавая жесткую оболочку — эндоспору, которая помещает клетку в состояние покоя и сохраняет генетический материал бактерии.
Ученые находят бактерии в таких временных капсулах, которые хранились и 100, и даже 250 миллионов лет. Это говорит о том, что бактерии могут самостоятельно храниться в течение длительного времени.
Теперь, когда мы знаем, какие возможности предоставляют колонии бактериям, давайте разберемся, как они попадают туда — путем деления и размножения.
Размножение бактерий
Как бактерии создают колонии? Как и другим формам жизни на Земле, бактериям нужно самокопироваться, чтобы выживать. Другие организмы делают это путем полового размножения, но не бактерии. Но сначала давайте обсудим, почему разнообразие — это хорошо.
Жизнь проходит естественный отбор, ну или селективные силы определенной среды позволяют одному типу процветать и размножаться больше, чем другому.
Возможно, вы помните, что гены — это механизм, который инструктирует клетку, что ей делать, и определяет, какого цвета будут ваши волосы и глаза. Вы получаете гены от своих родителей.
Половое размножение приводит к мутациям, или случайным изменениям в ДНК, что создает разнообразие. Чем больше генетического разнообразия, тем больше шансов, что организм сможет приспособиться к ограничениям окружающей среды.
Для бактерий воспроизводство не зависит от встречи с правильным микробом; они просто копируют собственную ДНК и делятся на две идентичных клетки. Этот процесс, называемый двоичным делением, происходит, когда одна бактерия делится на две, копируя ДНК и передавая ее обеим частям разделенной клетки.
Поскольку в конечном итоге рожденная клетка будет идентична той, из которой была рождена, такой метод размножения не самый лучший для создания разнообразного генофонда. Как же бактерии приобретают новые гены?
Оказывается, бактерии используют хитрый трюк: горизонтальный перенос генов, или обмен генетическим материалом без воспроизводства. Есть несколько способов, которые используют бактерии для этого.
Один способ включает сбор генетического материала из окружающей среды вне клетки — из других микробов и бактерий (через молекулы под названием плазмиды). Другой способ — вирусы, которые используют бактерии в качестве дома.
Заражая новую бактерию, вирусы оставляют генетический материал предыдущей бактерии в новой.
Обмен генетическим материалом дает бактериям гибкость к адаптации, и они адаптируются, если чувствуют стрессовые изменения в окружающей среде, такие как нехватка продовольствия или химические изменения.
Понимание того, как адаптируются бактерии, чрезвычайно важно для борьбы с ними и создания антибиотиков в медицине. Бактерии могут обмениваться генетическим материалом так часто, что порой лечение, которое работало раньше, уже не работает.
Ни высоких гор, ни большой глубины
Если задаться вопросом «где бактерии?», проще спросить «где бактерий нет?».
Бактерии обнаруживаются практически везде на Земле. Невозможно представить количество бактерий на планете одновременно, но по некоторым оценкам их число составляет (бактерий и архей вместе) 5 октиллионов — это число с 27 нулями.
Классификация видов бактерий чрезвычайно сложна по понятным причинам. Сейчас есть примерно 30 000 официально идентифицированных видов, но база знаний постоянно растет, и есть мнения, что перед нами только верхушка айсберга от всех видов бактерий.
Правда в том, что бактерии были вокруг на протяжении очень долгого времени. Они породили одни из самых древних окаменелостей, которым 3,5 миллиарда лет. Результаты научных исследований позволяют предположить, что цианобактерии начали создавать кислород примерно 2,3—2,5 миллиарда лет назад в мировом океане, насытив атмосферу Земли кислородом, которым мы дышим по сей день.
Бактерии могут выживать в воздухе, воде, почве, льде, на жаре, на растениях, в кишечнике, на коже — везде.
Некоторые бактерии являются экстремофилами, то есть могут противостоять экстремальным условиям, когда либо очень жарко или холодно, либо отсутствуют питательные вещества и химикаты, которые мы обычно ассоциируем с жизнью.
Исследователи обнаружили такие бактерии в Марианской впадине, самой глубокой точке на Земле на дне Тихого океана, возле гидротермальных источников в воде и во льду.
Встречаются также бактерии, которые любят высокую температуру — такие, например, окрашивают опалесцирующий бассейн в Йеллоустонском национальном парке.
Плохие (для нас)
Хотя бактерии делают важный вклад в здоровье человека и планеты, у них есть и темная сторона. Некоторые бактерии могут быть патогенными, то есть вызывать заболевания и болезни.
На протяжении истории человечества некоторые бактерии (понятно почему) получили плохую репутацию, вызвав панику и истерию. Взять, к примеру, чуму.
До появления антибиотиков, лекарств, которые способствуют борьбе с бактериальными инфекциями, их было очень сложно остановить.
Даже сегодня эти патогенные бактерии серьезно нас пугают. Благодаря выработке устойчивости к антибиотикам, бактерии, вызывающие сибирскую язву, пневмонию, менингит, холеру, сальмонеллез, ангину и прочие болезни, которые еще и остаются рядом с нами, всегда представляют опасность для нас.
Особенно верно это для золотистого стафилококка, бактерии, ответственной за стафилококковые инфекции. Эта «сверхбактерия» приводит к появлению многочисленных проблем в клиниках, поскольку пациенты весьма часто подхватывают эту инфекцию при внедрении медицинских имплантатов и катетеров.
Мы уже говорили о естественном отборе и о том, что некоторые бактерии вырабатывают разнообразные гены, которые помогают им справиться с условиями окружающей среды.
Если у вас есть инфекция, и некоторые из бактерий в вашем теле отличаются от других, антибиотики могут поразить большую часть популяции бактерий. Но те бактерии, которые выживут, выработают устойчивость к лекарству и останутся, дожидаясь следующего шанса.
Поэтому врачи рекомендуют завершать курс антибиотиков до конца, да и вообще обращаться к ним как можно реже, только в крайнем случае.
Конечно, бактерии могут приносить не только вред.
Героические бактерии
Давайте изучим хорошую сторону бактерий. В конце концов, эти микробы подарили нам такие вкусные продукты, как сыр, пиво, закваску и другие ферментированные элементы. Они также улучшают здоровье людей и используются в медицине.
Отдельных бактерий можно поблагодарить за формирование человеческой эволюции.
Наука собирает все больше данных о микрофлоре — микроорганизмах, которые живут в наших телах, особенно в пищеварительной системе и кишечнике.
Исследования показывают, что бактерии, новые генетические материалы и разнообразие, которое они приносят в наши тела, позволяют людям адаптироваться к новым источникам пищи, которые раньше не использовались.
Посмотрим на это с другой стороны: выстилая поверхность вашего желудка и кишечника, бактерии «работают» на вас. Когда вы едите, бактерии и другие микробы помогают вам разбивать и добывать питательные вещества из пищи, особенно углеводы. Чем разнообразнее бактерии, которых мы потребляем, тем больше разнообразия получают наши тела.
Хотя наши знания о наших же микробах весьма скудны, есть основания полагать, что отсутствие некоторых микробов и бактерий в организме может быть связано со здоровьем, метаболизмом и восприимчивости к аллергенам человека. Предварительные исследования на мышах показали, что метаболические заболевания вроде ожирения связаны с разнообразием и здоровой микрофлорой, а не нашей преобладающей точкой зрения «калории приходят, калории уходят».
Сейчас активно исследуются возможности внедрения определенных микробов и бактерий в организм человека, которые могут дать определенные преимущества, однако на момент написания статьи общие рекомендации по их использованию пока не были установлены.
Кроме того, бактерии сыграли важную роль в развитии научной мысли и человеческой медицины. Бактерии сыграли ведущую роль в развитии постулатов Коха 1884 года, которые привели к общему пониманию того, что болезни вызываются определенным видом микробов.
Исследователи, изучавшие бактерии, случайно открыли пенициллин — антибиотик, который спас множество жизней. Также совсем недавно в связи с этим был открыт легкий способ редактировать геном организмов, который может осуществить революцию в медицине.
По сути, мы только начинаем понимать, как извлекать пользу из нашего сожительства с этими маленькими друзьями. К тому же непонятно, кто истинный хозяин Земли: люди или микробы.
Бипоэз. Первая клетка «окружает себя мембраной». Происхождение прокариот
Современная теория возникновения жизни на Земле (теория биопоэза) была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом.
Суть теории сводится к представлениям о 3 этапах возникновения жизни.
На первом этапе произошло возникновение органических молекул из неорганических, т.е. произошел абиогенный синтез.
В результате образовались углеродные и азотистые соединения умеренной сложности – аминокислоты и азотистые основания. Органических веществ, образовавшихся на первом этапе, было очень мало, вероятность реакций между ними была чрезвычайно мала.
На втором этапе шел процесс концентрации возникших органических веществ.
Такая концентрация могла идти за счет осаждения органики на частицах глины или гидроокиси железа за счет образования органическими веществами пленки на поверхности воды – такую пленку прибивало к берегу, где концентрация органических веществ увеличивалась в тысячи раз.
Кроме того, концентрированию мог способствовать процесс объединения однородных частиц в разбавленных растворах – закон, хорошо известный в химии.
В результате повышения концентрации вероятность взаимодействия между органическими молекулами значительно возрастала, что в конечном счете привело к возникновению коацерватов – молекул, окруженных водной оболочкой; такие коацерваты объединялись, образуя многомолекулярные комплексы, т.е. могли уже появиться полимеры.
На третьем этапе началось самовоспроизведение органических молекул, т.е. было положено начало размножению. Вероятно, первыми такими молекулами были ДНК и РНК.
В дальнейшем очень важным процессом было возникновение мембран, т.е. обособление клеток. В основе этого процесса могла лежать адсорбция растворенных в воде белковых молекул на поверхности липидной пленки, покрывающей водоемы.
В результате могли возникать двойные липопротеидные пленки, от которых могли отрываться пузырьки.
Такие пузырьки, теоретически, могли покрываться вторым липидно-белковым слоем, что приводило к возникновению четырехслойной оболочки с двумя слоями белков по краям и двумя слоями липидов внутри.
Взаимная ориентация этих слоев определялась силами электрического притяжения и гидрофобного взаимодействия. Описанный механизм образования мембран – только один из возможных. Образование мембран привело к возникновению систем, которые были способны к саморегуляции и самовоспроизведению. Это и были первые живые организмы – пробионты.
18. Формирование метаболических путей – фотогетеротрофы, гетеротрофы, переходная форма – брожение, гликолиз, хемосинтез, фотосинтез, дыхание. Возможные варианты происхождения эукариот.
Гетеротрофы — организмы, которые используют органические источники углерода.
Фотогетеротрофы — это микроорганизмы, использующие световую энергию, а в качестве источника углерода — органические соединения.
Первые организмы жили в бескислородных условиях и были анаэробными гетеротрофами. Они использовали органические вещества абиогенного происхождения в качестве питательных веществ, энергию получали за счет бескислородного окисления и брожения. До настоящего времени сохранился анаэробный путь использования глюкозы — гликолиз.
Значительным событием в эволюции живого стало появление фотосинтеза, когда для синтеза органических веществ стала использоваться энергия солнечной света.
Бактериальный фотосинтез на первых этапах сопровождался расщеплением органических веществ (фотогетеротрофы, используют в качестве источника углерода органические вещества) или сероводорода (первые фотоавтотрофы, используют углекислый газ как источник углерода и Н2S — как источник водорода).
Эволюция углеродного питания осуществлялась, по-видимому, следующим образом гетеротрофы облигатные фотогетеротрофы факультативные фотогетеротрофы (восстановление СО2 на свету, сопряженное с окислением органических субстратов) —> облигатные фотоавтотрофы-фоторедукторы — фотосинтетики.
Первичная атмосфера Земли содержала водород, но в ней не было свободного кислорода, т.е. она обладала восстановительными, а не окислительными свойствами. В таких условиях преобладали примитивные гетеротрофные клетки, необходимую им энергию они, вероятно, получали путём брожения.
Брожение — это процесс бескислородного расщепления органических веществ, осуществляемый с помощью ферментов.
В метаболическом процессе брожение считается малоэффективным способом добычи энергии, поскольку при нём большая часть энергии углеродных соединений остается неиспользованной. В процессе аэробного (кислородного) дыхания происходит полный распад углеродных соединений до первоначальных минеральных веществ — воды и углекислого газа — с выделением большого количества энергии.
Если эволюция метаболических путей шла путем последовательного добавления новых ферментативных реакций к существовавшим ранее, то, подобно самым старым годовым кольцам на срезе ствола, наиболее древние реакции должны находиться ближе всего к центру «метаболического древа» – там, где синтезируются наиболее существенные молекулярные «кирпичики». Такое центральное положение в метаболизме прочно занимают реакции с участием фосфатов сахаров, в самом центре которых, видимо, находится последовательность реакций, называемая гликолизом и способная осуществлять расщепление глюкозы в отсутствие кислорода (т. е. анаэробно).
Хемосинтез – это процесс выработки органических веществ из неорганических веществ за счёт энергии, полученной в результате химической реакции окисления таких соединений, как: сероводород, водород, аммиак и т.д. Производится он бактериями, не содержащими хлорофиллы. Этот способ получения энергии – своего рода приспособление в тех местах, где солнечный свет, а значит и солнечная энергия, недоступны.
Для использования СО2 в ходе эволюции возник механизм фотосинтеза, в процессе которого СО2 превращается в органическое соединение за счет энергии солнечного излучения.
Взаимодействие солнечного света с пигментной молекулой – хлорофиллом – переводит электрон в более высокое энергетическое состояние.
Энергия, высвобождаемая при обратном переходе электрона на более низкий энергетический уровень, направляется молекулами белка на проведение химических реакций.
По всей вероятности, одной из первых реакций с использованием солнечного света было фосфорилирование нуклеотидов с образованием АТР – богатого энергией соединения.
10.4. Появление жизни на Земле
Как
было отмечено выше, в вопросе появления
жизни на нашей планете
еще много остается неясного и
неопределенного. Эта про-
блема
далека от своего окончательного решения.
Тем не менее, современная наука дает
возможность выдвинуть некоторые
гипотезы, отвечающие
на вопросы о том, как, когда и в какой
форме появилась жизнь на Земле.
Условия,
необходимые для появления жизни
История
жизни и история Земли неотделимы друг
от друга, так как именно в процессах
развития нашей планеты как космического
тела закладывались определенные
физические и химические условия,
необходимые для появления и развития
жизни.
Прежде
всего, следует отметить, что жизнь (во
всяком случае в той форме, в которой она
функционирует на Земле) может существовать
в достаточно узком диапазоне температур,
давлений и радиации.
Также для появления жизни на Земле нужны
вполне определенные
материальные основы — химические
элементы-органогены
и в первую очередь углерод, так как
именно он лежит в основе жизни.
Этот элемент обладает рядом свойств,
делающих его незаменимым для образования
живых систем.
Углерод способен образовывать
разнообразные органические соединения,
число которых достигает нескольких
десятков миллионов. Среди них — насыщенные
водой, подвижные, низкоэлектропроводные,
скрученные в цепи
структуры.
Соединения углерода с
водородом, кислородом, азотом, фосфором,
серой и железом обладают хорошими
каталитическими,
строительными, энергетическими,
информационными и иными свойствами.
Наряду
с углеродом к «кирпичикам» живого
относятся кислород,
водород и азот. Ведь живая клетка состоит
на 70% из кислорода,
углерода в ней — 17%, водорода — 10%, азота
— 3%. Элементы-органогены
принадлежат к наиболее устойчивым и
распространенным
во Вселенной химическим элементам.
Они
легко соединяются между
собой, вступают в реакции и обладают
малым атомным весом.
Их соединения легко растворяются в
воде. Эти элементы, очевидно, поступили
на Землю вместе с космической пылью,
которая стала
материалом для «строительства» планет
Солнечной системы.
Еще
на стадии формирования планет возникли
углеводороды, соединения азота, в
первичных атмосферах планет было много
метана,
аммиака, водяного пара и водорода.
Они,
в свою очередь, стали сырьем
для получения сложных органических
веществ, входящих в состав
белков и нуклеиновых кислот (аминокислот
и нуклеотидов).
Огромную
роль в появлении и функционировании
живых организмов играет вода, ведь они
на 90% состоят из воды. Поэтому вода
является не только средой, но и обязательным
участником всех биохимических
процессов. Вода обеспечивает метаболизм
клетки и
терморегуляцию
организмов. Кроме того, водная среда
как уникальная
по своим упругим свойствам структура
позволяет всем определяющим
жизнь молекулам реализовать свою
пространственную организацию.
Поэтому жизнь зародилась в воде, но даже
выйди из моря на
сушу, она сохранила внутри живой клетки
океаническую среду.
Наша
планета богата водой и расположена на
таком расстоянии от Солнца, что необходимая
для жизни основная масса воды находится
в жидком, а не в твердом или газообразном
состоянии, как на
других планетах. На Земле поддерживается
оптимальная температура
для существования жизни, основанной на
углероде.
Какой
была древнейшая жизнь?
Наши
знания о ранее живших организмах
невелики. Ведь миллиарды особей,
представлявших самые разные виды,
исчезли, не оставив после себя никаких
следов.
По оценкам некоторых палеонтологов,
в ископаемом состоянии до нас дошли
останки только 0,01%
всех видов живых организмов, населявших
Землю.
Среди них — только
те организмы, которые могли сохранить
структуру своих форм путем замещения
или в результате сохранности отпечатков.
Все прочие виды до нас просто не дошли,
и о них мы не сможем узнать ничего и
никогда.
Долгое
время считалось, что возраст древнейших
отпечатков живых
организмов, к которым относятся трилобиты
и другие высокоорганизованные
водные организмы, составляет 570 млн.
лет.
Позже
были найдены следы намного более древних
организмов — минерализовавшихся
нитчатых и округлых микроорганизмов
примерно
десятка различных видов, напоминающих
простейших бактерий
и микроводорослей.
Возраст этих останков,
найденных в кремнистых
пластах Западной Австралии, был оценен
в 3,2—3,5 млрд. лет. Эти
организмы, видимо, имели сложную
внутреннюю структуру, в них
присутствовали химические элементы,
соединения которых были
способны участвовать в процессе
фотосинтеза.
Данные организмы бесконечно
сложны по сравнению с самым сложным из
известных
органических соединений абиогенного
происхождения. Нет
сомнений, что это не самые ранние формы
жизни и что существовали
их более древние предшественники.
Таким
образом, истоки жизни на Земле уходят
в тот «темный» первый
миллиард лет существования нашей
планеты, который не оставил
следа в ее геологической летописи.
Данную точку зрения подтверждает и тот
факт, что известный биогеохимический
цикл углерода,
связанный с фотосинтезом, в биосфере
стабилизировался более
3,8 млрд. лет назад.
Это позволяет считать,
что фотоавто-трофная
биосфера существовала на нашей планете
не менее 4 млрд.
лет
назад. Однако по данным цитологии и
молекулярной биологии, фотоавтотрофные
организмы были вторичными в процессе
эволюции
живого вещества.
Автотрофному способу
питания живых организмов
должен был предшествовать гетеротрофный
способ как более простой.
Автотрофные
организмы, строящие свое тело за счет
неорганических
минеральных веществ, имеют более позднее
происхождение. Об этом свидетельствуют
следующие факты:
Таким
образом, можно сделать вывод о первичности
гетеротрофного способа питания.
Древнейшая жизнь, вероятно, существовала
в качестве гетеротрофных бактерий,
получавших пищу и энергию
за счет органического материала
абиогенного происхождения,
образовавшегося еще раньше, на космической
стадии эволюции
Земли.
Следовательно, начало жизни как
таковой отодвигается еще
дальше, за пределы каменной летописи
земной коры, более чем на 4 млрд. лет
назад.
Говоря
о древнейших организмах на Земле, также
следует отметить,
что по типу своего строения они были
прокариотами, возникшими
вскоре после появления археклетки. В
отличие от эука-риотов
они не имели оформленного ядра, и ДНК
располагалась в клетке
свободно, не отделяясь от цитоплазмы
ядерной мембраной.
Различия
между прокариотами и эукариотами гораздо
глубже, чем между
высшими растениями и высшими животными:
и те и другие относятся
к эукариотам. Представители прокариотов
живут и сегодня. Это бактерии и сине-зеленые
водоросли.
Очевидно, первые организмы,
жившие в очень жестких условиях
первоначальной Земли, были похожи на
них.
Ученые
также не сомневаются в том, что древнейшие
организмы,
населявшие Землю, были анаэробами,
получавшими необходимую им энергию за
счет дрожжевого брожения. Большая часть
современных
организмов являются аэробными и
используют кислородное дыхание
(окислительные процессы) как способ
получения энергии.
Таким
образом, прав был В. И. Вернадский,
предположивший, что
жизнь сразу возникла в виде примитивной
биосферы. Только
разнообразие
видов живых организмов могло обеспечить
выполнение всех функций живого вещества
в биосфере. Ведь жизнь является
мощнейшей геологической силой, вполне
сравнимой как по энергетическим
затратам, так и по внешним эффектам с
такими геологическими процессами, как
горообразование, извержение вулканов,
землетрясения и т.д.
Жизнь не просто
существует в окружающей ее среде, но
активно эту среду формирует, преобразуя
ее «под себя».
Не следует забывать, что
весь лик современной Земли, все
ее ландшафты, осадочные и метаморфические
породы (граниты, гнейсы,
образовавшиеся из осадочных пород),
запасы полезных ископаемых,
современная атмосфера являются
результатом действия живого
вещества.
Эти
данные позволили Вернадскому утверждать,
что с самого начала существования
биосферы входящая в нее жизнь должна
была
быть уже сложным телом, а не однородным
веществом, так как биогеохимические
функции жизни в силу своего разнообразия
и сложности не могут быть связаны только
с какой-то одной формой жизни. Таким
образом, первичная биосфера изначально
была представлена богатым функциональным
разнообразием. Поскольку организмы
проявляются не единично, а в массовом
эффекте, то первое
появление жизни должно было произойти
не в виде какого-то одного вида организмов,
а в их совокупности. Иными словами, сразу
должны были появиться первичные
биоценозы. Состояли они из
простейших одноклеточных организмов,
так как все без исключения
функции живого вещества в биосфере
могут быть выполнены ими.
И,
наконец, следует сказать, что первичные
организмы и биосфера могли существовать
только в воде. Выше мы уже говорили, что
все организмы нашей планеты теснейшим
образом связаны с водой.
Именно связанная вода, не теряющая своих
основных свойств,
является их важнейшим составным
компонентом и составляет
60—99,7% веса.
Именно
в водах первичного океана образовался
«первичный бульон».
Ведь морская вода сама по себе представляет
естественный раствор,
содержащий все известные химические
элементы. В ней образовались
вначале простые, а затем и сложные
органические соединения,
среди которых были аминокислоты и
нуклеотиды.
В этом «первичном бульоне»
и произошел скачок, давший начало жизни
на Земле. Немаловажное значение для
появления и дальнейшего развития жизни
имела радиоактивность воды, которая
тогда
была в 20—30 раз большей, чем сейчас.
Хотя
первичные организмы
были намного устойчивее к радиации, чем
современные, мутации
в те времена происходили намного чаще,
поэтому естественный
отбор шел интенсивнее, чем в наши дни.
Кроме
того, не следует забывать о том, что
первичная атмосфера
Земли не содержала свободного кислорода,
поэтому в ней отсутствовал озоновый
экран, защищающий нашу планету от
ультрафиолетовой
радиации Солнца и жесткого космического
излучения. В силу этих причин на суше
жизнь просто не могла возникнуть, жизнь
возникла в первичном океане, воды
которого служили достаточным
препятствием для этих лучей.
Итак,
подводя итоги, следует отметить, что
первичные организмы,
возникшие на Земле более 4 млрд. лет
назад, обладали следующими
свойствами:
Начало
жизни на Земле
Поскольку жизнь
неразрывно связана со средой своего
обитания,
то начало жизни следует изучать в тесной
связи с теми космическими
и геологическими процессами, в ходе
которых образовалась и развивалась
наша планета.
Завершение этапа
космической эволюции Земли, в ходе
которой
она сложилась из планетезималий,
произошло около 4,5 млрд. лет
назад.
После этого наша планета стала
постепенно остывать и начала
формироваться земная кора, а также
атмосфера и гидросфера
за счет дегазации лав, выплавлявшихся
из верхней мантии при интенсивном
вулканизме.
Мы имеем все основания
полагать, что при
этом на поверхность Земли поступали,
прежде всего, пары воды и газообразные
соединения углерода, серы и азота.
Первичная
атмосфера Земли
была очень тонкой, разреженной, атмосферное
давление у поверхности не превышало 10
мм ртутного столба.
Состав первичной атмосферы формировался
из тех газов, которые
выбрасывались при извержении вулканов.
Это подтверждает анализ пузырьков газа,
обнаруженных в протоархейских породах
(60%
— углекислота, 40% — соединения серы,
аммиака, метана, другие окислы углерода,
а также пары воды). Первичная атмосфера
не
содержала свободного кислорода, поскольку
его не содержали вулканические
газы.
Воды
первичного океана имели
примерно такой же состав, как и сегодня,
но в них, как и в атмосфере, отсутствовал
свободный кислород.
Таким образом, свободный кислород, а
значит, и химический
состав современный атмосферы, как и
свободный кислород океанов
Земли, не были первоначально заданы при
рождении нашей
планеты как небесного тела, а являются
результатом жизнедеятельности первых
живых организмов, составивших первичную
биосферу
Земли.
Под
действием солнечных и космических
лучей, проникавших через разреженную
атмосферу, происходила ее ионизация,
превращавшая атмосферу в холодную
плазму. Поэтому атмосфера ранней Земли
была насыщена электричеством, в ней
вспыхивали частые разряды.
В таких
условиях шел быстрый одновременный
синтез разнообразных
органических соединений, в том числе и
весьма сложных.
Эти соединения, как и те, что попали на
Землю в уже готовом
виде из космоса, представляли собой
подходящее сырье, из которого на следующей
стадии эволюции могли образоваться
аминокислоты
и нуклеотиды.
Радиоактивный
разогрев недр Земли пробудил тектоническую
активность, заработали вулканы, выделявшие
огромное количество вулканических
газов. Это уплотнило атмосферу, отодвинув
границу ионизации
в ее верхние слои. При этом процесс
образования органических
соединений продолжался.
Частые грозы с
длительными ливнями приносили
образовавшиеся
органические вещества в водоемы,
покрывавшие нашу планету, добавляя их
к тем, что уже были растворены в водах
первичного океана.
Таким образом,
оказались накоплены большие запасы
органического сырья. По некоторым
подсчетам, его масса оценивается
в 1016
кг, что всего на 2—3 порядка меньше массы
современной биосферы.
Согласно расчетам,
растворение органических веществ
в водах океана дало раствор, концентрация
которого составляла 1%.
После
того, как углеродистые соединения
образовали «первичный
бульон», уже могли организовываться
биополимеры — аминокислоты и нуклеотиды,
«кирпичики» белков и нуклеиновых кислот.
Необходимая
концентрация веществ для образования
биополимеров
могла возникнуть в результате осаждения
органических соединений
на минеральных частицах, например на
глине или гидроокиси
железа, образующих ил водоемов.
Кроме
того, органические вещества могли
образовывать на поверхности океана
тонкую пленку, которую
ветер и волны гнали к берегу, где она
собиралась в толстые
слои. В химии известен также процесс
объединения родственных
молекул в разбавленных растворах.
Дальнейший
этап биогенеза связан с концентрацией
органических веществ и появлением
протобионта — молекулы РНК в результате
скачка, приведшего к образованию живого
из неживого.
Протобионты представляли
собой системы органических веществ,
покрытые
оболочкой и способные взаимодействовать
с окружающей
средой, т.е. расти и развиваться за счет
поглощения из окружающей
среды богатых энергией веществ.
Кроме
того, протобионты
обладали способностью к размножению,
передавая полезные признаки
своим потомкам.
К
сожалению, механизм перехода от сложных
органических веществ
к простым живым организмам наукой пока
не установлен. Теория
биохимической эволюции предлагает лишь
общую схему.
В соответствии с ней между
первичными сгустками органических
веществ (коацерватов)
могли выстраиваться молекулы сложных
углеводородов, что
приводило к образованию примитивной
клеточной мембраны, обеспечивающей
данным сгусткам стабильность.
Именно
с появлением мембраны можно говорить
о рождении клетки — основной структурной
единицы жизни, способной к росту и
размножению.
Какие царства живых организмов существуют?
Изначально царство — самая высокая группа в классификации живых организмов. Те, кто включен в разные царства, различаются принципиально: строением, способом питания и размножения.
С древних времен люди разделили живое на две большие группы. Самые очевидные — растения и животные. Так систематизировал живую природу еще Аристотель.
Открытие микроскопа и более глубокое изучение строения живого позволило открыть «кирпичики» жизни — клетки. Со временем микроскопы усовершенствовались настолько, что позволили заглянуть и внутрь клеток.
И оказалось, что их строение различается — различается принципиально! У одних клеток есть ядро, а у других — нет.
В результате пришлось ввести более высокую группу — надцарство (домен), а в царствах выделить еще одну группу — бактерии.
А потом выяснилось: чтобы быть живым, не обязательно даже иметь клетки.
Так образовалась еще более крупная группа — империя (объединение доменов — надцарств) и выделилось еще одно царство — вирусы.
Итак, по современным представлениям (еще не очень устоявшимся, поскольку последняя группа принята не всеми) все живое подразделяется на пять царств:
А теперь немного о каждом.
В империю неклеточных (бесклеточных) входит одно царство — Вирусы. Пожалуй, это самое странное царство — как легко понять из наименования клеточного строения у них и вовсе нет.
Вирусы не имеют собственного обмена веществ, они не способны к росту и размножению. По сути — это просто генетический материал (ДНК или РНК), покрытый белковой оболочкой.
Но, попав в живую клетку, они проявляют все свойства живого, в частности, растут, размножаются, подвергаются естественному отбору и наследуют мутации.
Все, которые нам известны, вызывают какие-либо заболевания (само название на латыни «яд»). К самым известным можно отнести вирусы ВИЧ, бешенства, оспы, гриппа.
Империя клеточных больше отвечает нашим обыденным представлениям о живом.
В нее входят два надцарства: прокариоты и эукариоты, отличающиеся строением клеток.
Надцарство прокариот (доядерных) отличается тем, что клетки живых организмов в нем не содержат ядра. В него входит одно царство — Бактерии.
Это очень древнее царство; самым древним остаткам его представителей 3,9-3,5 млрд.лет.
Питаются, синтезируя нужные вещества из неорганических соединений, но некоторым — необходимы готовые органические соединения, которые они способны только изменять. Размножаются делением.
Несмотря на то, что с виду, это очень простые организмы, они совсем не однотипные:
Живут они — везде, в том числе и внутри нас. Обогащают почву азотом и другими минеральными соединениями, способствуют пищеварению, сбраживают кисломолочные продукты (кефир, йогурт, сыры), «готовят» уксус. И вызывают многие заболевания: чуму, сибирскую язву, сифилис, туберкулез.
Домен эукариоты (ядерные) объединяет все организмы, клетки которых содержат ядро. Эти клетки имеют более сложную структуру, чем у прокариот (имеются органеллы).
Растения. Это царство объединяет организмы со следующими общими чертами: клетки имеют плотные целлюлозные оболочки; внутри их имеются хлоропласты, содержащие хлорофилл, в связи с чем они способны к фотосинтезу; запасные вещества накапливаются в виде крахмала. Представители этого царства растут в течение всей жизни. В основном, неподвижны.
Основная общая черта: все растения — продуценты и автотрофы, т. е. самостоятельно получают органические вещества с помощью углекислого газа и солнечного света в процессе фотосинтеза.
Это очень разнообразное царство.
Его представители могут быть одно- и многоклеточными, размножаться вегетативно (частями тел — листьями, побегами, частями корневища), спорами и семенами, иметь раздельных представителей обоих полов и опыляться самостоятельно.
Представителями растений являются мхи, папоротники, хвощи, плауны и многочисленные голосеменные и цветковые. Две последние группы — деревья, кустарники и травы.
Животные. Представители этого царства не менее разнообразны.
Они также могут быть как одно-, так и многоклеточными. Размножаться делением (почкованием) или иметь особей разного пола, вынашивать и рожать живых детенышей или откладывать яйца.
Основная черта, явно отделяющая их от прочих царств, – все они способны к передвижению.
Все представители этого царства — гетеротрофы, т. е. они не могут создавать органические вещества для своего питания из неорганических самостоятельно.
В качестве энергии они используют органические вещества, созданные другими организмами: непосредственно растениями (растительноядные) или через посредство других животных (хищники).
В клетках животных нет плотных оболочек (они бы мешали передвижению) и они не содержат крахмал; основным запасающим веществом для них является полисахарид — гликоген.
Все животные обладают раздражимостью — способны реагировать на воздействие внешней среды, а у высших животных развилась нервная система и органы чувств.
В царстве животных выделяют простейших, кишечнополостных, моллюсков, червей, паукообразных, насекомых, рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих.
Грибы. Это весьма своеобразное царство. Его представители неспособны сами синтезировать органические вещества из неорганических — берут их готовыми. Но передвигаться и отвечать на раздражители они не могут. Растут в течение всей жизни.
Клетки грибов плотные, как у растений, но обеспечивают им эту плотность не только целлюлоза, но и хитин. Основной хранитель запасов — гликоген.
Размножаются вегетативно (частицами мицелия — грибницы), спорами, а также слиянием клеток различных участков мицелия (похоже на половое размножение, но полов у них нет).