ЦианобактерииОтличительные особенности бактерий. Бактерии - прокариотические (доядерные) одноклеточные или колониальные организмы, распространенные повсеместно. 

Бактерии - очень маленькие существа. Чаще всего они не превышают 0,5 мкм, хотя некоторые могут достигать 5 - 10 мкм и более. Большинство их можно рассмотреть только при очень большом увеличении микроскопа - в 500 - 1500 раз. Гораздо легче их обнаружить, когда они развиваются в массе, или, как говорят, в колониях.

Условия жизни бактерий. Наиболее благоприятными условиями для жизни бактерий являются температура от +35°С до +40°С, достаточное количество воды и питательных веществ. Большинству из них необходим кислород. Однако жизнедеятельность бактерий может протекать и в иных условиях. Некоторые из них способны развиваться при температуре от -2°С до +80°С. При более высокой температуре многие виды бактерий погибают. Губителен для бактерий и прямой солнечный свет.

Распространение бактерий. Бактерии - самые распространенные организмы в природе. Они живут повсюду: в почве, воде, воздухе, продуктах питания (особенно молочных), на внешних покровах растений и животных, а также внутри живых и на телах мертвых организмов.

Бактерии способны выживать в самых разнообразных условиях, которые исключают существование других организмов. Их находят в океане, на глубине 9 км, на камнях, омываемых водой горячих источников с температурой 60-80°С, в маленьких лужицах, на поверхности почвы, скованной вечной мерзлотой. Разнообразные бактерии найдены в водах холодных морей, обнаружены на высоте 30-40 км над Землей. Они способны длительное время сохранять жизнеспособность при отрицательных температурах (от -7°С до -14°С); при незначительном повышении температуры они становятся активными и быстро начинают размножаться.

В разных местах встречается различное количество бактерий. Меньше всего их в воздухе, особенно в природных условиях. Но в местах скопления людей, например в кинотеатрах, вокзалах, в классах, их значительно больше. Вот почему необходимо часто проветривать помещения.

В водах рек, особенно вблизи больших городов, бактерий может быть до 400 тыс. в 1 мм3. Поэтому нельзя пить сырую воду из открытых водоемов. Еще больше бактерий в почве - до 100 млн. в 1 г гумуса - плодородного слоя почвы. В 1 см3 свежевыдоенного молока их более 3 млрд. Очень много бактерий в воде морей и океанов.

Таким образом, бактерии обитают повсеместно. Благодаря специфическому обмену веществ некоторые группы бактерий способны выживать там, где не может существовать ни один другой организм.

Строение клеток бактерий было изучено с помощью электронного микроскопа. Бактерии - доядерные организмы с достаточно простой организацией клеток. Бактериальная клетка имеет оболочку, в состав которой входит муреин (пептидогликан), и слизистую капсулу из полисахаридов.

В клетках бактерий нет оформленного ядра. Их тонкая длинная хромосома имеет кольцевую форму. Она размещается в цитоплазме. Область цитоплазмы, в которой распространена ДНК называется нуклеоидом. В цитоплазме могут также находиться плазмиды - вненуклеоидные участки ДНК. Впячивания цитоплазматической мембраны образуют мезосому, на которой располагаются дыхательные ферменты, а у фотосинтезирующих бактерий, кроме того, пигменты и ферменты фотосинтеза. В цитоплазме располагаются многочисленные рибосомы. В цитоплазме могут быть гранулы запасных питательных веществ - гликогена, белков и капли липидов. У некоторых бактерий имеются органоиды движения - жгутики.

Форма клеток бактерий может быть разнообразной: палочковидной - бациллы, шаровидной - кокки, изогнутой в виде запятой - вибрионы, спиральной - спириллы и т.д. Большинство видов бактерий представляют собой одноклеточные организмы, но некоторые из них имеют вид цепочек, которые состоят из нескольких слабосвязанных клеток. Например, диплококки состоят из двух шаровидных клеток; стрептококки представляют собой цепочки кокков; стафилококки внешне напоминают виноградную гроздь. Подобные структуры образуются в результате неполного расхождения клеточных оболочек после деления клеток. Форма клеток и их расположение при делении имеет важное систематическое значение.

Движение бактерий. Бактерии реагируют на определенные раздражители и способны передвигаться. Движение бактерий осуществляется с помощью жгутиков, которые представляют собой скрученные винтообразные нити. Безжгутиковые бактерии перемещаются благодаря выбрасыванию слизи или вращению вокруг своей оси.

Питание. Как и все другие организмы, бактерии питаются, поглощая питательные вещества из окружающей среды. Гетеротрофные бактерии питаются готовыми органическими веществами. Осуществляют они это следующим образом. Бактерии синтезируют белки-ферменты, которые выделяются в окружающую среду. Там ферменты расщепляют органические вещества (белки, жиры, целлюлозу) до более простых, которые диффузно поступают в клетку. Проникающие внутрь бактерий питательные вещества идут на синтез веществ, свойственных бактериям, и входят в состав цитоплазмы, расходуются на дыхание, откладываются в запас. Гетеротрофные бактерии могут использовать органические вещества мертвых тел или выделений живых организмов. Это сапротрофы (греч. сапрос - гнилой и трофос - питание). Некоторые питаются органическими веществами живых организмов. Это паразиты.

Но есть и другие бактерии, не нуждающиеся в готовых органических веществах, они сами их образуют внутри клетки. Такие бактерии называются автотрофами. Автотрофные бактерии подразделяются на фототрофные, которые осуществляют фотосинтез, и хемотрофные. Последние окисляют неорганические соединения, а образующуюся при этом химическую энергию используют для создания органических веществ из углекислого газа и воды. Такой способ питания называется хемосинтезом. Кратко его можно охарактеризовать как процесс образования органических веществ из неорганических за счет выделения химической энергии при окислении неорганических соединений.

Например, автотрофные бактерии - нитрификаторы, живущие в почве, окисляют выделяющийся при гниении аммиак (NH) до азотистой кислоты, а затем окисляют ее в азотную кислоту. Эти процессы можно описать следующими уравнениями:

2NH3 + ЗО2 = 2HNO2 + 2Н2О + энергия
аммиак азотистая
кислота

2HNO2 + О2 = 2HNO3 + энергия

азотистая азотная

кислота кислота

Далее выделившаяся энергия используется для синтеза органических веществ:
CО + НО + энергия = органические вещества

Дыхание бактерий. Клеткам бактерий свойственно дыхание, т.е. окисление внутри клеток органических веществ кислородом с выделением углекислого газа, воды и химической энергии. Такие бактерии называются аэробами, потому что им необходим свободный доступ кислорода. Живут они на поверхности почвы, в верхних слоях воды, в воздухе. К ним, например, относятся галлионелла, обитающая в воде, ризобиум и др.

Но немало бактерий живет и развивается без воздуха. Например, актиномицеты, вызывающие разложение веществ в кучах перегноя. Такие бактерии называются анаэробами.

Вместо процесса дыхания у них происходит брожение, т.е. процесс расщепления органических веществ с высвобождением энергии без участия кислорода. При этом выделяется энергии в 18 раз меньше, чем при дыхании. Рассмотрим процесс молочнокислого брожения. Известно, что молоко содержит все необходимые для бактерий питательные вещества. Оно представляет собой раствор сахара, белков, солей, в котором взвешены капельки жира. Бактерии немедленно проникают даже в только что выдоенное молоко. Попав в молоко, бактерии молочнокислого брожения образуют ферменты, разлагающие сахар, который они поглощают из молока. Из каждой молекулы сахара образуется 2 молекулы молочной кислоты и химическая энергия. В общем виде этот процесс можно выразить следующим уравнением:

C6HО = 2С3Н6О3 + энергия.

глюкоза молочная кислота

Высвобожденная энергия используется на нужды клетки: синтез веществ, деление, движение и т.д.

Молочнокислое брожение происходит не только при скисании молока, но и при квашении капусты, силосовании трав и т.п. Образующаяся при брожении молочная кислота препятствует развитию гнилостных бактерий и содействует сохранению сквашенных продуктов.

Размножение бактерий. Размножаются бактерии простым бинарным делением клеток. Материнская клетка с помощью перетяжки делится на две дочерние. Перед делением хромосома удваивается, и каждая клетка получает по одной дочерней хромосоме. Деление клеток бактерий происходит весьма интенсивно. При благоприятных условиях клетка может делиться вновь через каждые 20-30 минут. Если бы такие условия постоянно сопутствовали бактериям, то они бы покрыли Землю толстым слоем. Это, однако, не происходит, так как бактерии находятся в неблагоприятных условиях, и до размножения доживают немногие из них.

Собственно полового размножения у бактерий нет, но имеется половой процесс, при котором клетки обмениваются генетическим материалом, т.е. происходит генетическая рекомбинация - главнейшее событие полового размножения.

Известны три способа генетической рекомбинации у бактерий: трансформация, коньюгация и трансдукция.

При трансформации происходит перенос части генетического материала от мертвой бактерии к живой без их непосредственного контакта. Из мертвой клетки (клетки-донора) выходит небольшой фрагмент ДНК, который поглощается живой клеткой (клеткой-реципиентом) и включается в состав ее ДНК, замещая в ней похожий фрагмент.

Коньюгация - это перенос ДНУК между клетками, непосредственно контактирующими друг с другом. При этом может обмениваться значительная часть ДНК.

При трансдукции небольшой двуцепочечный фрагмент ДНК (часто плазмида) попадает из клетки-донора в клетку-реципиент вместе с бактериофагом.

Результатом полового процесса у бактерий является передача таких свойств, как устойчивость к антибиотикам, дезинфецирующим средствам, способность усваивать углеводороды и др.

Приспособление к неблагоприятным условиям. Многие бактерии способны образовывать покоящиеся клетки - споры, которые могут выживать в обезвоженной среде, при низких и высоких температурах и даже при кипячении. Споры образуются из содержимого внутренней части клеток бактерий. При этом вокруг некоторой части цитоплазмы, где находится хромосома, создается плотная оболочка. Из каждой клетки образуется, как правило, только одна спора. Споры сохраняют способность к прорастанию десятки и даже сотни лет. Например, возбудитель сибирской язвы в состоянии споры остается жизнеспособным на протяжении 30 лет. Споры, как видим, служат не для размножения, а для переживания неблагоприятных условий. При наступлении благоприятных для жизнедеятельности условий споры прорастают в бактерию, которая вскоре начинает делиться.

Значение бактерий в природе.

Поскольку бактерии распространены повсеместно и встречаются в огромном количестве, они во многом и определяют процессы, происходящие в природе.

Осенью опадают листья деревьев и кустарников, отмирают надземные и подземные части трав, время от времени падают старые деревья. Эти остатки состоят в основном из органических веществ, и в первую очередь из целлюлозы. Все это с помощью бактерий постепенно превращается в перегной, плодородный слой почвы.

Превращение этих остатков в перегной - процесс длительный и сложный. Протекает он при активном участии бактерий, грибов и многочисленных почвенных животных.

Особенно велика роль бактерий на последних стадиях процесса расщепления целлюлозы и других органических веществ. Под действием сапротрофных почвенных бактерий из органических веществ, недоступных для усваивания растениями, образуются углекислый газ, вода и минеральные соли, которые легко поглощаются растениями.

Другие группы бактерий расщепляют после гибели живых организмов их белки до аммиака. Этот процесс называется гниением. Далее аммиак акисляется бактериями до нитратов, которые поглощаются корнями растений. Подобным образом расщепляются экскременты и различные выделения животных.

Сапротрофные бактерии, таким образом, составляют вместе с грибами важную группу живых организмов - редуцентов (разрушителей) органического вещества. Они осуществляют расщепление органических веществ и таким образом обеспечивают круговорот веществ в природе.

Очень важна деятельность бактерий, усваивающих атмосферный азот. Все живые организмы нуждаются в азоте, так как он входит в состав белков, но не все могут усваивать его из атмосферы, где его содержится около 78 %. Такой способностью обладают некоторые бактерии. В маленьких клубеньках на корнях бобовых растений обитают бактерии рода Ризобиум, которые поглощают атмосферный азот и преобразуют его в соединения, легко усваиваемые растениями. Поэтому бобовые растения способны накапливать белок в больших количествах. Особенно много белка в семенах фасоли и сои - до 40%.

Среди гетеротрофных бактерий есть небольшая группа видов, которые живут внутри живых организмов, но в отличие от паразитов приносят этим организмам большую пользу. Питающийся травой скот не может переваривать целлюлозу без помощи бактерий. В специальном отделе желудка жвачных животных (коровы, овцы и др.) - рубце живет множество бактерий и других мелких организмов (протистов), способных расщеплять сложные молекулы целлюлозы на простые углеводы - сахара, которые являются важнейшим питательным веществом и источником энергии. В противном случае эти животные не могли бы использовать в пищу траву и листья деревьев, богатые целлюлозой.

Бактерии играют важную роль в очистке сточных вод, где они выполняют ту же функцию, что и в почве,- расщепляют органические вещества до неорганических соединений,

Значение бактерий в жизни человека. Многие процессы, вызываемые бактериями, важны в хозяйственной деятельности человека. К таким процессам относится брожение. Например, молочнокислые бактерии, которые всегда есть в молоке, вызывают его скисание, что используется в производстве молочнокислых продуктов - простокваши, кефира, йогурта и др.

Молочнокислые бактерии сквашивают сметану и придают маслу характерный вкус и запах. Они сбраживают молочный сахар - лактозу до молочной кислоты, которая способствует сгусанию белка казеина, используемого при изготовлении сыра. Квашение овощей и силосование кормов также происходит под действием молочнокислых бактерий.

Бактерии используются при производстве удобрений-компостов, которые получаются в результате разложения органических веществ под влиянием деятельности микроорганизмов. Бактерии расщепляют органические вещества, входящие в состав компоста, на более простые соединения, которые могут усваиваться растениями.

Некоторые бактерии живут в пищеварительной системе человека. Это наши постоянные спутники, без которых невозможна нормальная жизнедеятельность кишечника. Такова, например, кишечная палочка. Она сбраживает углеводы.

Бактерии могут приносить человеку ощутимый вред. Во-первых, сапротрофные бактерии портят пищевые продукты. Чтобы продукты не портились, их сушат, солят, засахаривают, маринуют, консервируют, хранят в холодильниках. Используемые при этом вещества-консерванты (соль, сахар, уксус) и низкие температуры снижают активность бактерий, тормозят их рост и размножение. Во-вторых, многие бактерии являются возбудителями различных болезней у растений, животных и человека.

Большинство возбудителей болезней растений являются палочковид-ными. Симптомы болезней, вызываемых бактериями, весьма разнообразны. В большинстве случаев - это пятна на стеблях, листьях, цветках и плодах. Среди наиболее распространенных бактериальных заболеваний растений такие, как парша картофеля, рак томатов, пятнистость и гниль томатов, бактериальный ожог яблонь и груш.

В организм человека и животных болезнетворные бактерии чаще всего попадают вместе с воздухом, водой или пищей. После того, как бактерии оказались в организме человека и животного, они начинают интенсивно размножаться.

Бактерии могут причинять вред человеку и животным тремя способами: закупоркой различных важных каналов в организме за счет своей многочисленности, стимуляцией аллергических реакций у своих жертв и выделением ядовитых веществ. Например, токсин почвенной бактерии клостридиум тетани, вызывающий столбняк, относится к числу наиболее сильных из известных ядов. Ядовитые вещества действуют угнетающе на клетки и поражают различные органы.

К самым опасным заболеваниям животных относятся пищевые отравления свиней и домашней птицы, которые вызывают сальмонеллы. Домашние животные болеют и другими бактериальными болезнями - туберкулезом, бруцеллезом.

Среди наиболее известных бактериальных заболеваний человека - бактериальное воспаление легких, коклюш, дифтерия, скарлатина, тиф, столбняк, туберкулез, бактериальная дизентерия, чума, холера и др.

С целью предотвращения этих заболеваний в нашей стране установлен комплекс оздоровительных мероприятий, санитарный контроль за продуктами питания и водой. Для предупреждения некоторых заболеваний проводят профилактические прививки, которые вызывают устойчивую невосприимчивость к заболеваниям: туберкулезу, коклюшу, тифу, брюшному тифу, дифтерии, скарлатине и др.

Большую помощь в борьбе с бактериальными заболеваниями оказывают лекарственные препараты, в том числе антибиотики. Одни из них уничтожают болезнетворные бактерии, другие угнетают их деятельность.

Существует несколько способов обеззараживания продуктов питания, воды, различных материалов, медицинских инструментов и помещений: дезинфекция, стерилизация, автоклавирование, пастеризация.

Дезинфекция заключается в обработке зараженного материала или помещений различными химическими веществами, которые уничтожают бактерии, - этиловым спиртом, хлорной известью, хлорамином и другими веществами. Слабым дезинфицирующим средством является мыло.

При стерилизации бактерии уничтожаются путем воздействия на них высокими температурами. Стерилизация возможна при нагревании, кипячении и прокаливании. Кипячением не всегда уничтожаются все бактерии. Особенно жизнестойки споры. Для полной стерилизации кипячение повторяют в течение трех дней по 20-30 минут. Автоклавирование - специальная обработка материалов и инструментов при высоком давлении и температуре в специальных плотно закрывающихся емкостях с металлическими стенками - автоклавах.

Если бактерии не способны образовать споры, обеззараживание проводят с помощью пастеризации - нагревание продукта при температуре 65-70°С в течение нескольких минут. Таким способом обеззараживают многие молочные продукты, которые потом могут сохраняться несколько дней.

Цианобактерии. Среди бактерий особое место занимают цианобактерии (греч. цианос - синий и бактерия) - группа фототрофных прокариотических организмов, окрашенных в основном в сине-зеленый цвет. Эти бактерии содержат хлорофилл и на свету способны осуществлять фотосинтез, т.е. из углекислого газа и воды создавать органические вещества, выделяя при этом в атмосферу кислород.

Цианобактерии - очень древние организмы. Возникли они, вероятно, около 3 млрд. лет тому назад. Слоистые меловые отложения - строматолиты, которые образовались при поглощении кальция цианобактериями, имеют возраст около 2,7 млрд, лет,. В настоящее время строматолиты образуются только в условиях очень жаркого климата, в местах, где есть мелкие, хорошо прогреваемые водоемы. Множество строматолитов в ископаемых остатках свидетельствует о существовании таких климатических условий в те далекие геологические эпохи, когда цианобактерии играли решающую роль в увеличении количества свободного кислорода в атмосфере ранней Земли. Считалось, что изменение в составе атмосферы архейской эры (закончилась около 2,6 млрд. лет тому назад) и накопление в ней кислорода связаны с фотосинтетической деятельностью цианобактерий.

Клетки цианобактерии могут быть округлой, эллиптической, цилиндрической и другой формы. Некоторые цианобактерии являются одноклеточными, другие соединены в цепочки и очень немногие образуют округлые или неправильной формы колонии, в которых множество клеток покрыто общим слизистым чехлом (рис. 6). Некоторые цианобактерии могут образовывать нити длиной до 1 м и более и способны наращивать большую биомассу. Любая клетка может разделиться. Вновь созданные клетки способны дать начало новым колониям или нитям. Подобно другим нитчатым и колониальным формам бактерий, цианобактерии прикреплены друг к другу только оболочками, или слизистыми капсулами, поэтому каждая клетка не зависит от других.

В клетках цианобактерий, как и других бактерий, отсутствует ядро, пластиды, митохондрии и другие органеллы. Внутри клетки, во впячиваниях цитоплазматической мембраны, содержатся различные пигменты (красящие вещества): хлорофилл, каротин (оранжевый), фикоэритрин (красный), фикоцианин (синий), которые участвуют в поглощении света и обеспечивают фотосинтез. Эти пигменты и придают цианобактериям различную окраску: светло-золотистую, желтую, коричневую, красную, изумрудную, голубую, фиолетовую, темно-синюю. Благодаря своей окраске цианобактерии придают определенный цвет среде, где они обитают, особенно при массовом размножении.

Цианобактерии, обитающие в поверхностном слое воды пресных и морских водоемов, в своих клетках имеют специальные структуры - газовые вакуоли. Эти вакуоли регулируют плавучесть организмов и позволяют им оставаться в толще воды. Когда цианобактерии теряют способность регулировать свою плавучесть, например, при резких перепадах температуры или нарушениях кислородного обмена, они всплывают на поверхность. Если этому предшествовало массовое размножение, всплывшие цианобактерии окрашивают воду в определенный цвет. Это явление называется "цветением". При этом некоторые цианобактерии выделяют химические вещества, токсичные для других организмов, что вызывает их массовую гибель. Часто можно наблюдать, как теплым летом небольшие водоемы приобретают голубовато-зеленую окраску - это значит, что в них быстро размножаются цианобактерии. Красное море получило свое название, видимо, благодаря интенсивному размножению морских планктонных видов цианобактерий, которые имеют в клетках красный пигмент - фикоэритрин.

У ряда нитчатых цианобактерий имеются специализированные клетки - гетероцисты с сильно утолщенными бесцветными оболочками. Они принимают участие в размножении и фиксации азота.

В отличие от других бактерий цианобактерии не имеют жгутиков.

Цианобактерии в основном населяют пресноводные бассейны, некоторые живут на почве, в основании стволов деревьев. Небольшое количество видов обитают в морях. Некоторые из них приспособились жить в очень неблагоприятных условиях: в горячих источниках, замерзших озерах Антарктики, где они образуют слой толщиной 2-4 см. Этот слой цианобактерии залегает в воде ниже уровня постоянного льда на глубине 5 м.

Представители многих родов цианобактерий способны фиксировать атмосферный азот. В Азии рис довольно долго можно выращивать на одном и том же участке без применения удобрений за счет азотфиксирующих цианобактерий. Благодаря своей способности фиксировать азот из воздуха цианобактерии могут заселять голые поверхности скал и бедные почвы. Морские виды цианобактерий фиксируют около четверти всего азота, который поглощается морем из воздуха.

Цианобактерии могут вступать в симбиоз с другими организмами - протистами, водорослями, мхами, грибами. При этом они утрачивают клеточную оболочку и выполняют функцию хлоропластов.

Размножение одноклеточных и колониальных форм осуществляется путем деления клеток пополам. Большинство нитчатых цианобактерий размножаются делением участков нити. Нити распадаются на участки в области гетероцист, которые при этом разрушаются.

Существует около 2 тыс. видов цианобактерий. В Беларуси распространены роды микроцистис, осциллятория, анабена, носток и др.

Цианобактерий играют важную роль в природе. Вместе с другими бактериями они обогащают почву органическими веществами и азотом, а также обогащают водоемы и воздух кислородом. Водные формы бактерий служат кормом для мелких животных и рыб. Некоторые цианобактерий используются в качестве "поставщиков" ценных веществ, которые они продуцируют в процессе жизнедеятельности (белковые вещества, витамины, пигменты и др.). Отдельные виды используются в пищу.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+