61 група Біологія і екологія 04.04.2022

Біологія і екологія на 04.04.22

61 група

Урок 11

Тема: Прокаріотичні організми: археї та бактерії.

Завдання на урок:

1.                  Ознайомитися з матеріалом уроку

Прокаріотичні організми

 

Карл Воуз (1928–2012) – американський біолог, поділив всі організми на домени Бактерії, Археї та Еукаріоти. До його досліджень живу природу поділяли на два надцарства – Прокаріоти та Еукаріоти.

Які ж особливості відрізняють архей від бактерій та еукаріотів?

АРХЕЇ (Archaea) – прокаріотичні одноклітинні мікроорганізми з біохімічними особливостями, що відрізняють їх від бактерій та еукаріотів. Це найдавніші організми, предки яких з’явилися на Землі близько 3,8 млрд років тому.

Розміри архей – від 0,4 до 15 мкм у діаметрі. Найменшими серед археїв є наноархеї (0,4 мкм), які паразитують у клітинах інших архей.

Археї були відкриті у 1977 р. К. Воузом, який разом із своїм аспірантом Дж. Фоксом порівнював послідовності нуклеотидів у генах 16S-рРНК різних організмів. Одного разу вони виявили мікроорганізми, в яких нуклеотидні послідовності рРНК відрізнялися від рРНК бактерій і еукаріотів. Це стало однією із найважливіших наукових подій ХХ ст. Нова група отримала назву АРХЕЇ (від грец. археос – дуже давній) і новий таксономічний ранг – домен. Це відкриття стало основою для створення К. Воузом системи трьох доменів (1985), що була першою молекулярно-філогенетичною системою живої природи. У ній виокремлюють домени Археї, Бактерії та Еукаріоти. Відкриттю архей сприяв вдалий вибір об’єктів для молекулярно-філогенетичних досліджень. Гени рРНК є дуже консервативною частиною геному, вони не змінювали свою функцію понад 3 млрд років і наявні в усіх клітинних істот. Все це зробило їх чудовим маркером філогенетичних подій. Археї мають свою незалежну еволюційну історію і характеризуються багатьма рідкісними властивостями, що відрізняють їх від бактерій та еукаріотів. Які ж це особливості?

1. Геном археїв представлений дволанцюговою ДНК у нуклеоїді та кільцевими плазмідами (як у бактерій). Містить білки-гістони, унікальні інтрони, що відрізняються від еукаріотичних, але яких немає у прокаріот. Гени тРНК та рРНК археїв різняться між собою специфічним складом й послідовністю нуклеотидів.

2. Клітинна оболонка архей не містить муреїну, в багатьох видів утворена поверхневими білками (так званий S-шар) та псевдомуреїном. Оболонка здійснює ефективний захист, і тому, можливо, археї ніколи не утворюють спор для існування за несприятливих умов, як це є у бактерій.

3. Клітинні мембрани різняться структурою й хімічним складом, що визначають їхню більшу стійкість за екстремальних умов існування. У археїв мембрани одношарові, утворені з особливих фітанолгліцеридів, а не фосфоліпідів, як в інших клітинних організмів.

4. Рухи забезпечуються джгутиками, відмінними від джгутиків бактерій: ростуть шляхом приєднання субодиниць білка флагеліну від основи, джерелом енергії для їхнього руху є АТФ тощо.

5. Розмноження нестатеве (бінарний поділ, множинний поділ, фрагментація й брунькування).

6. Живлення хемоавтотрофне й хемогетеротрофне з використанням найрізноманітніших джерел енергії: світла, органічних сполук, амоніаку, йонів металів, водню та ін. Археям притаманні унікальні метаболічні процеси: бактеріородопсиновий фотосинтез і метаногенез.

Отже, археї є самостійним доменом живої природи і відрізняються від бактерій й еукаріотів низкою ознак на молекулярному рівні організації.

Які особливі процеси метаболізму характерні для архей?

На початкових етапах розвитку життя археї були домінуючими формами життя і відігравали ведучу роль у біологічній міграції елементів. У ті часи особливе значення мали процеси отримання енергії за умов високого вмісту молекулярного водню й відсутності кисню та органічних речовин. Ці процеси збереглися в архей до теперішнього часу.

Метаногенез – процес отримання енергії у безкисневих умовах з утворенням метану. Серед метаногенних архей є автотрофні види, які здатні до фіксації вуглекислого газу, й гетеротрофні види, які продукують метан завдяки здатності до метанового бродіння. Автотрофним археям-метаногенам для життя достатньо водню, вуглекислого газу й води. Унікальна в живому світі реакція синтезу метану слугує для них джерелом енергії для синтезу власних органічних сполук:

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O + Е

Ці істоти можуть виживати навіть в умовах Марсу чи Венери. Близько 1,5 % Карбону, що бере участь у біосферному кругообігу, проходить через стадію метану за участі метаногенних архей. Утворення метану відбувається на дні морів й прісних водойм, у болотах, ґрунтах тундри й рисових полів. Метаногени є внутрішньоклітинними симбіонтами деяких твариноподібних організмів, входять до складу кишкової мікрофлори, термітів, жуйних тварин, приматів й людини.

Бактеріородопсиновий фотосинтез відкритий у солелюбних архей-галофілів, які мають фіолетовий світлочутливий пігмент – бактеріородопсин. Галофіли існують завдяки використанню органічних сполук, вони можуть рости за наявності кисню й без нього. За відсутності кисню й наявності яскравого світла в них утворюються пурпурові фотомембрани, що містять пігмент, подібний до людського родопсину. За участі цього пігменту енергія світла перетворюється в енергію АТФ, що допомагає їм пережити періоди нестачі кисню. Галофільні археї є основою екосистем з екстремальними умовами життя. Так, у водах Мертвого моря в складі бактеріальних матів виявлено 20 видів солелюбних архей. Там їхня кількість досягає десятків мільйонів клітин на 1 мл.

Отже, археї у наш час посідають у біосфері своєрідне місце, здійснюючи метаболічні процеси в умовах, недоступних для інших організмів.

Де поширені археї?

Археї поширені повсюдно – від гідротермальних джерел, кратерів вулканів, й дна Північного Льодовитого океану до травної системи людини й термітів. На сьогодні описано вже понад 50 видів археїв, адаптованих до найрізноманітніших умов. За оцінками вчених, археї у сучасній біосфері становлять близько 20 % від її загальної біомаси.

Відомо, що серед архей є велика кількість видів-екстремофілів, які живуть за дуже високих температур, часто вище від 100 °C, як ті, котрих знайшли в гейзерах і чорних курцях (так звані археї-термофіли). Інших виявлено в надзвичайно солоному (археї-галофіли), кислому (археї-ацидофіли) або лужному (археї-алкалофіли) середовищі. Так, архея піролобус (Pyrolobus fumarii) живе біля підводних гідротермальних джерел, температура води яких +106 °C і рН 5,5. Вижити за таких умов вони можуть завдяки особливостям клітинних мембран та великій кількості нуклеотидних пар гуанін – цитозин, сполучених трьома водневими зв’язками.

Ще одна архея метанопірус (Methanopyrus kandleri) існує за температури +122 °C.

Архея термококус (Thermococcus gammatolerans) витримує вплив радіації, що перевищує летальну дозу для людини в 3 000 разів.

Серед архей є й види-мезофіли, які живуть за звичайних умов водного чи ґрунтового середовища. Багато археїв є симбіотрофними видами різних організмів. Так, мутуалістичні метаногенні археї беруть участь у розщепленні целюлози в кишечнику термітів та жуйних тварин. Описано види архей-коменсалів, які живуть на шкірі, у травній системі людини.

Отже, археї поширені скрізь і займають екологічні ніші, що є важкодоступними для інших організмів.

ПРОКАРІОТИЧНІ ОРГАНІЗМИ: БАКТЕРІЇ

У зразках води й ґрунту, взятих на території заводу з переробки пластикових пляшок, було знайдено бактерії невідомого раніше виду ідеонела (Ideonella sakaiensis). Ці бактерії для свого живлення використовують пластик, розкладаючи його на безпечні для природи компоненти. Науковці підрахували, що бактерії здатні розкласти пластиковий пакет із найпоширенішого пластику поліетилентерефталату всього за 6 тижнів. Таку властивість бактерії розвинули упродовж останнього десятиліття – це їхня відповідь на велику кількість їжі нового типу. Як зазначають мікробіологи, бактерії мають вражаючу здатність адаптуватися до навколишнього середовища.

Чим бактерії відрізняються від архей?

БАКТЕРІЇ (Bacteria) – прокаріотичні одноклітинні мікроорганізми. У процесі еволюції бактерії адаптувались до життя у ґрунті, воді, повітрі, на поверхні й всередині живих організмів. Основними групами бактерій є спірохети, протобактерії, актинобактерії, мікоплазми та ін. Бактерії є найчисленнішими й найпоширенішими організмами нашої планети. У них проста будова клітини, високі темпи розмноження, велика різноманітність типів й способів живлення, висока мінливість завдяки мобільним генетичним елементам та горизонтальному перенесенню генів, наявність механізмів захисту від вірусів, вони мають здатність впадати в анабіоз й утворювати спори для витримування несприятливих умов.

На сучасному етапі відбувається переважно біохімічна еволюція, завдяки чому вони можуть опановувати нові екологічні ніші, виробляючи нові ферменти для засвоєння нових поживних речовин.

У сучасній системі органічного світу ці організми об’єднано в домен Бактерії.

Які ж найзагальніші особливості будови та життєдіяльності бактерій відрізняють їх від архей?

1. Клітинна оболонка бактеріальних клітин містить пептидоглікан (муреїн), що утворює жорстку решітку для захисту й опори, бере активну участь в обміні речовин, рості, розмноженні.

За особливостями будови клітинної стінки бактерії поділяють на грамнегативні та грампозитивні.

2. Основою клітинних мембран бактерій є два шари фосфоліпідів і різноманітні за функціями білкові молекули. Дуже важливими для бактерій є такі функції мембран, як транспортування речовин, перетворення енергії, синтез речовин, що відбуваються за участі внутрішньоклітинних впинань (фотомембран, мезосом).

3. Для бактерій характерна надзвичайна різноманітність типів живлення: фотоавтотрофний (ціанобактерії), хемоавтотрофний (залізобактерії, сіркобактерії), фотогетеротрофний (пурпурні бактерії), хемогетеротрофний (сапротрофні бактерії).

4. Гени бактеріальної клітини складаються із безперервної кодувальної послідовності нуклеотидів. Поділу на інтрони й екзони немає. Характерною ознакою бактерій є наявність у клітині, поряд з нуклеоїдом, невеликих автономних плазмід.

5. Унікальними для бактерій процесами життєдіяльності є більшість типів бродіння, фіксація азоту, бактеріохлорофільний безкисневий фотосинтез та ін.

6. У багатьох бактерій відбувається утворення спор для існування за несприятливих умов, деякі здатні до інцистування для захисту й поширення.

Отже, бактерії мають низку відмінностей будови й життєдіяльності, що стало основою для їхнього виокремлення в домен БАКТЕРІЇ.

Які способи розмноження та обміну спадковою інформацією у бактерій?

Найчастіше у бактерій спостерігається швидкий бінарний поділ, що за сприятливих умов відбувається в межах від 15 до 30 хв. Різновидом бінарного поділу є брунькування. На одному з полюсів материнської клітини утворюється брунька, яка збільшується, а потім відокремлюється. У деяких бактерій виявлено множинний поділ. Йому передують реплікація хромосоми і збільшення клітини, в якій далі відбувається кілька послідовних бінарних поділів з утворенням багатьох дрібних клітин.

Статевого розмноження у бактерій немає, оскільки не утворюються гамети.

Але найголовніша подія статевого відтворення, а саме обмін генетичним матеріалом, у них є. Суттєву роль у цьому процесі відіграє горизонтальне перенесення генів між організмами різних видів.

Горизонтальне перенесення генів – процес, під час якого організм передає генетичний матеріал іншому організму, який не є його нащадком. Серед архей та бактерій горизонтальне перенесення генів є досить звичайним навіть між віддаленими видами. Завдяки цьому явищу в доядерних організмів забезпечуються комбінативна мінливість і здатність пристосовуватися до умов довкілля. Існують три загальні механізми горизонтального перенесення генів: трансформація, трансдукція й кон’югація.

Трансформація (від лат. transformatio – перетворення) – передача генетичного матеріалу між клітинами за участі ізольованої ДНК. При трансформації не потрібен безпосередній контакт між клітиною-донором і клітиною-реципієнтом.

Трансдукція (від лат. transductio – переміщення) – передача генетичного матеріалу від однієї клітини іншій за допомогою вірусів. Явище трансдукції відкрите американськими вченими Д. Ледербергом і Н. Циндером ще у 1952р.

Кон’югація (від лат. conjugatio – поєднання) – передача генетичного матеріалу від клітини-донора клітині-реципієнтові при безпосередньому контакті клітин. Необхідною умовою кон'югації є наявність у клітині плазміди.

Отже, розмноження архей та бактерій відбувається нестатево, а визначальним процесом комбінативної мінливості є горизонтальне перенесення генів.

Як бактерії взаємодіють між собою та з іншими організмами?

Часто бактерії «співпрацюють», формуючи біоплівки та змінюючи швидкість росту завдяки «відчуттю кворуму». Ці взаємини можуть бути істотними для зростання всієї групи організмів.

Біоплівки (біофільми) – спільний слизовий шар із зануреними в нього колоніями бактерій. Біоплівки захищають їх від несприятливих умов середовища, а також забезпечують умови для обміну між окремими клітинами поживними речовинами, ДНК, ферментами, продуктами життєдіяльності тощо. Біоплівки утворюють спільне стабільне середовище існування бактерій, завдяки чому останні можуть виживати в дуже важких і малопридатних для інших організмів умовах. Перебуваючи в угрупованнях, бактерії спілкуються і координують свою поведінку завдяки секреції молекулярних сигналів. Це явище називається «відчуттям кворуму». Його вперше спостерігали у біолюмінецсентної бактерії (Vibrio fischeri), що живе як симбіонт у світлових органах-фотофорах одного з видів гавайських кальмарів.

Взаємозв’язки між бактеріями й іншими організмами можуть бути симбіотичними та антибіотичними. Пригадаємо, що найпоширенішими видами симбіозу є мутуалізм, коменсалізм, паразитизм. Прикладами мутуалістичних взаємовідносин у бактерій є: а) відносини між водневими анаеробними бактеріями, які споживають органічні кислоти і виділяють Н₂, та метаногенними археями, які його споживають; б) співіснування бульбочкових бактерій і коренів бобових рослин (бактеріориза); в) співіснування з організмом людини молочнокислих бактерій. Прикладом коменсалізму можуть бути відносини організму людини з біфідобактеріями й кишковою паличкою. Прикладом паразитизму є співіснування хвороботворних бактерій (чумна паличка, холерний вібріон, золотистий стафілокок, туберкульозна паличка) з організмом людини чи тварин.

Антибіоз – це взаємовідносини, за яких спостерігається пригнічення розвитку або повне відмирання одних видів під дією продуктів обміну, що їх утворює інший вид. Найчастіше ці продукти називають антибіотиками. Так, Луї Пастер ще в 1877 р. описав конкуренцію бактерій ґрунту і бактерій-збудників сибірської виразки. Є серед бактерій і справжні хижаки. До них належать бделовібріони, тератобактери, диктіобактери та ін.

Отже, взаємовідносини між бактеріями та організмами в різних угрупованнях є складними, динамічними й такими, що залежать від змін умов середовища.

 

2.                  Ознайомитися з матеріалом § 9-10 підручника    https://uahistory.co/pidruchniki/sobol-biology-and-ecology-10-class-2018-standard-level/67.php

та відеоуроком https://www.youtube.com/watch?v=2YJF9t5t2Rg

3.                  Створити опорний конспект уроку та дати усну відповідь на питання уроку

3.1.Хто такі археї? Наведіть приклади архей.

3.2.Хто такі бактерії? Нведіть приклади бактерій.

4.               В робочому зошиті оформити таблицю «Порівняльна характеристика прокаріотичних організмів». У висновку вказати спільні риси та відмінності груп організмів, які вивчили на уроці.

Таблиця. ПОРІВНЯЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОКАРІОТИЧНИХ ОРГАНІЗМІВ

Ознака	Археї	Бактерії
Кількість видів
Клітинна оболонка
Клітинні мембрани
Живлення
Особливості геному
Утворення спор

5. Розгляньте ситуацію, коли одна прокаріотична клітина перебуває в оптимальних умовах й без перешкод розмножується. Скільки клітин буде в модельній популяції через 10 поколінь, якщо поділ клітин відбувається щокожні 20 хв? Заповніть таблицю і побудуйте графік росту популяції (на горизонтальній вісі – час, на вертикальній – кількість клітин). Запишіть математичний вираз, що відображає закономірність росту популяції.

Час, хв	0	20	40	60	80	100	120	140	160
Кількість
бактерій

6. За бажанням (на оцінку!) Підготуйте коротке повідомлення про бактеріальну хворобу (на власний вибір): чума, холера, туберкульоз, сифіліс, дифтерія, гонорея, тощо. Презентуємо на наступному онлайнуроці.

7. Фотозвіт чекаю за посиланням nataalex088@gmail.com