Реферат: Екологія бактерій

Бактерії — велика група одноклітинних мікроорганізмів, які характеризуються відсутністю оточеного оболонкою клітинного ядра. Разом з тим генетичний матеріал бактерії (дезоксирибонуклеїнова кислота, або ДНК) займає в клітині цілком певне місце — зону, називану нуклеоїдом. Організми з такою будовою клітин називаються прокаріотами («доядерними») на відміну від всіх інших — еукаріот («істинно ядерних»), ДНК яких перебуває в оточеному оболонкою ядрі.

Мікроорганізми поширені усюди. Вся земна куля «укутана» у живу плівку, більша частка якої приходиться на мікроби. Немає жодного місця на нашій планеті, де б не було мікроорганізмів. Виключення становлять лише кратери діючих вулканів і невеликі площадки в епіцентрах висаджених атомних бомб. Ані наднизькі температури Антарктики, ані киплячі струмені гейзерів, ані насичені розчини солей у соляних басейнах, ані сильна інсоляція гірських вершин, ані різкі коливання кислотності середовища, ані багато чого іншого не заважають існуванню й розвитку мікрофлори в природних субстратах, щоправда, у кожному випадку різної по складу. Всі живі істоти — рослини, тварини й люди — постійно взаємодіють із мікробами, будучи часто не тільки їхніми сховищами, але й розповсюджувачами. Гірські породи, вода, мулові опади й ґрунти також досить щільно заселені мікроорганізмами. Інакше кажучи, мікроорганізми — це типові мешканці — аборигени нашої планети. Більше того, вони є її першопоселенцями, що активно освоюють найнепіддатливіші природні субстрати.

Розселенням, вивченням структури й функцій особин і співтовариств організмів у природній обстановці зайнята спеціальна галузь біології — екологія. Дослідження мікробного світу перебуває в сфері екології бактерій. Основна суть цієї науки вловлюється навіть із самого терміна «екологія» (від грець. «ойкос» — будинок, місцеперебування). Тому екологічні дослідження бактерій проводяться в «їхньому будинку». Ні на якому іншому рівні, вивчаючи спадкоємні властивості бактерій, хімічний склад і тонку будову клітини, не можна одержати тих відомостей, які добуваються при екологічних дослідженнях.

Бактерії, що раніше вважалися мікроскопічними рослинами, зараз виділені в самостійне царство Monera – одне з п'яти в нинішній системі класифікації поряд з рослинами, тваринами, грибами й протистами.

Ймовірно, бактерії — найдавніша відома група організмів. Шаруваті кам'яні структури — строматоліти, — які датуються в ряді випадків початком археозою (архею), тобто виниклі 3,5 млрд. років тому, — результат життєдіяльності бактерій, що зазвичай фотосинтезують, так звані синьо-зелені водорості. Подібні структури (просочені карбонатами бактеріальні плівки) утворюються й зараз, головним чином в узбережжі Австралії, Багамських островів, у Каліфорнійській і Перській затоках, однак вони відносно рідкі й не досягають великих розмірів, тому що ними харчуються рослиноїдні організми, наприклад брюхоні молюски. У наші дні строматоліти ростуть в основному там, де ці тварини відсутні через високу солоність води або з інших причин, однак до появи в ході еволюції рослиноїдних форм вони могли досягати величезних розмірів, становлячи істотний елемент океанічного мілководдя, порівнянний із сучасними кораловими рифами. У деяких древніх гірських породах виявлені крихітні обвуглені сфери, які також вважаються залишками бактерій. Перші ядерні, тобто еукаріотичні, клітини виникли від бактерій приблизно 1,4 млрд. років тому.

Бактерій багато в ґрунті, на дні озер і океанів – усюди, де накопичується органічна речовина. Вони живуть у холоді, коли стовпчик термометра ледве перевищує нульову оцінку, і в гарячих кислотних джерелах з температурою вище 90 С. Деякі бактерії переносять дуже високу солоність середовища; зокрема, це єдині організми, виявлені в Мертвому морі. В атмосфері вони присутні в краплях води, і їхня велика кількість там зазвичай корелює із запиленістю повітря. Так, у містах дощова вода містить набагато більше бактерій, ніж у сільській місцевості. У холодному повітрі високогір'їв і полярних областей їх мало, проте вони зустрічаються навіть у нижньому шарі стратосфери на висоті 8 км.

Густо заселений бактеріями (зазвичай нешкідливими) травний тракт тварин. Експерименти показали, що для життєдіяльності більшості видів вони не обов'язкові, хоча й можуть синтезувати деякі вітаміни. Однак у жуйних (корів, антилоп, овець) і багатьох термітів вони беруть участь у переварюванні рослинної їжі. Крім того, імунна система тварини, вирощеної в стерильних умовах, не розвивається нормально через відсутність стимуляції бактеріями. Нормальна бактеріальна «флора» кишечника важлива також для придушення шкідливих мікроорганізмів, які туди попадають.

Однією із природних середовищ перебування бактерій є організми тварин і людини. Насамперед бактерії заселяють шкірні покриви, становлячи нормальну мікрофлору шкіри. Кишечник людини також заселений мікроорганізмами, які не викликають захворювань. Особливо доброчинну роль грають молочнокислі бактерії. Мирні взаємини часто порушуються. Безпечний для людини (і тварин) епібіонт ( який проживає на поверхні іншого організму) проникає в тканині (через рани, подряпини), викликаючи нагноєння. Це властиво багатьом неспороносним бактеріям, у тому числі псевдомонадам.

Зовсім іншим субстратом виявляється хворий організм людини й тварин. Деякі або багато захисних механізмів і бар'єри порушені, і ослаблений організм стає подобою живильного середовища де розвиваються патогенні бактерії. Вони вражають тканини й органи людини й тварин. Навіть короткий перелік хвороб, викликаних бактеріями, змусить кожного здригнутися. Дуже дрібні бактерії — риккетсії, внутрішньоклітинні паразити — збудники сипного тифу. У кров'яному руслі розвиваються пастерелли — збудники чуми. Холера викликається вібріоном, що поселяється в кишечнику. Туди ж попадають і розвиваються сальмонели, які приводять до розвитку важких захворювань типу черевного тифу. Епідемічний цереброспинальний менінгіт, небезпечний своїми ускладненнями, викликається дрібними коками з роду Neisseria — організмами найвищою мірою адаптованими до паразитичного способу життя. Багато коків є збудниками пневмонії, викликають ушкодження клапанів серця. Дифтерія (коринебактерії), туберкульоз і проказа (мікобактерії) і багато інших хвороб викликані розвитком мікроба-збудника в середовищі його перебування — у клітинах, тканинах і органах людського й тварини (багато теплокровних тварин хворіють на подібні хвороби) організмів. Найтяжкі хвороби викликаються спороутворюючими бактеріями, серед них газова гангрена (Gl. perfringens), правець (Gl. tetani), сибірська виразка (Вас. anthracis) і ін.

Атака бактерій — збудників хвороб на людський або тваринний організм проходить не завжди успішно й вимагає завоювання бактеріями їхнього середовища перебування (облігатні паразити не можуть існувати в інших умовах). Організми і їхні органи активно захищаються від інфекції. Бар'єрами, що перешкоджають колонізації тканин вищих організмів, виявляються різні речовини й структури:

шкіра захищається від поселення мікробів жирними кислотами;

слизова оболонка носа й око — лізоцимом (ферментом, що руйнує клітинні стінки бактерій);

кров — фагоцитами й антитілами;

тканини риб — протамінами;

корінь рослин — корковим шаром;

фрукти — кутикулою й кислотами;

дерева — смолами, таніном;

тканини рослин -—фенольними з'єднаннями, глікозидами.

До такої ситуації виявляється пристосований і бактеріальний світ. Мікроби поселяються в організмах проміжних хазяїв. Часто хазяїнами є багато комах, нематоди (хробаки), тварини (особливо небезпечні гризуни), птахи й навіть людина (бацилло- і вірусоносії, залишаючись здоровими, небезпечні для навколишніх). Проміжні хазяї становлять резервуар (вогнище) захворювань, з якого часто розвиваються епідемії. Наприклад, проміжними хазяїнами, що становлять вогнище сибірської виразки, є свині, вівці, великий рогата худоба. Резервуари чуми пов'язані із гризунами. Переносниками бактерій — збудників хвороб найчастіше бувають членистоногі (кліщі, воші, блохи). Подібні захворювання (наприклад, лептоспірози) передаються через різних хазяїв (пацюка, собаки, коня). Є й інші шляхи передачі інфекції: вітром і комахами на сотні кілометрів, при акліматизації тварин у нових районах і т.п.

Те, що характерно для людини й тварин, властиво й рослинам. Тут також є мирні співмешканці — епифіти — мешканці поверхні організмів. Хвороботворні бактерії (фітопатогенні) викликають захворювання рослин, часто масові (подоба епідемій).

Винятковий випадок взаємини мікробів з іншими організмами являють собою численні приклади симбіозу мікроорганізмів і вищих організмів, що стоять на різних рівнях організації. Іноді навіть важко визначити, є вищий організм субстратом і мікроби розмножуються в ньому або, навпаки, вищі організми паразитують на мікробах. Так, наприклад, клубнекові бактерії утворюють на коріннях (частіше бобових) рослин нарости, заселені бактеріями (рослина — середовище для бактерій). Із часом бактерії руйнуються у корені і рослина використовує речовини, запасені мікробами (паразитизм рослини на бактеріях). Подібних прикладів можна привести багато. У травному тракті комах (краще вивчені мурахи й терміти) є свій неповторний ценоз (асоціація мікробних видів), тому що ця малюсінька «лабораторія» забезпечує існування замкнутого бактеріального світу в специфічних умовах. Нормальний розвиток деяких вищих організмів неможливий без співдружності з мікробами. Відомо, що жучки-точильники (руйнують меблі, деревину) здатні харчуватися деревиною, завдяки тому що целюлоза переробляється в кишечнику їхніми співмешканцями — бактеріями. Харчування жуйних тварин найтіснішим образом пов'язане з активною діяльністю співтовариства строгих анаеробів — бактерій у рубці (відділі шлунка), де вони беруть участь у переробці рослинних кормів. Кліщі, що харчуються кров'ю вищих тварин, мають у своєму тілі спеціальний орган, переповнений симбіотичними бактеріями, покликаними переварювати кров. Подібними органами володіють всі сисні соки рослин комахи (цикадки). Вони мають у своєму тілі до п'яти різних симбіотичних мікробів. Видалення симбіотичних бактерій може привести до загибелі вищий організм, тому що порушується забезпечення різними джерелами їжі. Так, наприклад, звичайний жовтий тарган має симбіотичні дріжджі, які допомагають йому засвоювати мінеральну сірку. Як правило, симбіоз ґрунтується на розходженнях в обміні речовин обох компонентів.

Бактерії набагато дрібніше клітин багатоклітинних рослин і тварин. Товщина їх звичайно становить 0,5-2,0 мкм, а довжина - 1,0-8,0 мкм. Розглянути деякі форми ледь дозволяє розв'язна здатність стандартних світлових мікроскопів (приблизно 0,3 мкм), але відомі й види довжиною більше 10 мкм і шириною, що також виходить за зазначені рамки, а ряд дуже тонких бактерій може перевищувати в довжину 50 мкм. На поверхні, що відповідає поставленої олівцем крапці, уміститься чверть мільйона середніх по величині представників цього царства.

По особливостях морфології виділяють наступні групи бактерій: коки (більш-менш сферичні), бацили (палички або циліндри із закругленими кінцями), спірили (тверді спіралі) і спірохети (тонкі й гнучкі волосоподібні форми). Деякі автори схильні поєднувати дві останні групи в одну — спірили.

Прокаріоти відрізняються від еукаріот головним чином відсутністю оформленого ядра й наявністю в типовому випадку всього однієї хромосоми – дуже довгої кільцевої молекули ДНК, прикріпленої в одній точці до клітинної мембрани. У прокаріот немає й оточених мембранами внутрішньоклітинних органел, які називають мітохондріями й хлоропластами. В еукаріот мітохондрії виробляють енергію в процесі подиху, а в хлоропластах іде фотосинтез. У прокаріот вся клітина цілком (і в першу чергу — клітинна мембрана) бере на себе функцію мітохондрії, а у фотосинтезуючих форм — заодно й хлоропласта. Як і в еукаріот, усередині бактерії перебувають дрібні нуклеопротеїнові структури — рибосоми, необхідні для синтезу білка, але вони не пов'язані з жодними мембранами. За далеко не всіма виключеннями, бактерії не здатні синтезувати стероли — важливі компоненти мембран еукаріотичної клітини.

Зовні від клітинної мембрани більшість бактерій одягнена клітинною стінкою, що трохи нагадує целюлозну стінку рослинних клітин, але складається з інших полімерів (у їхній склад входять не тільки вуглеводи, але й амінокислоти й специфічні для бактерій речовини). Ця оболонка не дає бактеріальній клітині лопнути, коли в неї за рахунок осмосу надходить вода. Поверх клітинної стінки часто перебуває захисна слизова капсула. Багато бактерій оснащені жгутиками, за допомогою яких вони активно плавають. Жгутики бактерій влаштовані простіше й трохи інакше, ніж аналогічні структури еукаріот.

Багато бактерій мають хімічні рецептори, які реєструють зміни кислотності середовища й концентрацію різних речовин, наприклад цукрів, амінокислот, кисню й діоксида вуглецю. Для кожної речовини існує свій тип таких «смакових» рецепторів, і втрата якогось із них у результаті мутації приводить до часткової «смакової сліпоти». Багато рухливих бактерій реагують також на коливання температури, а фотосинтезуючі види – на зміни освітленості. Деякі бактерії сприймають напрямок силових ліній магнітного поля, у тому числі магнітного поля Землі, за допомогою присутніх у їхніх клітинах часточок магнетиту (магнітного залізняку – Fe₃ O₄ ). У воді бактерії використовують цю свою здатність для того, щоб плисти уздовж силових ліній у пошуках сприятливого середовища.

Умовні рефлекси в бактерій невідомі, але певного роду примітивна пам'ять у них є. Плаваючи, вони порівнюють сприйману інтенсивність стимулу з її колишнім значенням, тобто визначають, стала вона більше або менше, і, виходячи із цього, зберігають напрямок руху або змінюють його.

Бактерії розмножуються безстатевим шляхом: ДНК у їхній клітині репліцирується (подвоюється), клітина ділиться надвоє, і кожна дочірня клітина одержує по одній копії батьківської ДНК. Бактеріальна ДНК може передаватися й між клітинами, які не діляться. При цьому їхнього злиття (як в еукаріот) не відбувається, число особин не збільшується, і зазвичай в іншу клітину переноситься лише невелика частина генома (повного набору генів), на відміну від «дійсного» статевого процесу, при якому нащадок одержує по повному комплекті генів від кожного з батьків.

Такий перенос ДНК може здійснюватися трьома шляхами. При трансформації бактерія поглинає з навколишнього середовища «голу» ДНК, що потрапила туди при руйнуванні інших бактерій або свідомо «підсунуту» експериментатором. Процес називається трансформацією, оскільки на ранніх стадіях його вивчення основна увага приділялася перетворенню (трансформації) таким шляхом нешкідливих організмів у вірулентні. Фрагменти ДНК можуть також переноситися від бактерії до бактерії особливими вірусами — бактеріофагами. Це називається трансдукцією. Відомий також процес, що нагадує запліднення й називається кон'югація: бактерії з'єднуються одна з одною тимчасовими трубчастими виростами (копуляційними фимбріями), через які ДНК переходить із «чоловічої» клітини в «жіночу».

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--