Основные царства живых организмов Биология. Подготовка к олимпиадам. 8–9 классы.

Основные царства живых организмов

Биология. Подготовка к олимпиадам. 8–9 классы.

   Классификацией живых организмов занимается наука систематика. Обычно в научной литературе все живые организмы разделяют на две империи — империю неклеточные, или вирусы, и империю клеточные.

Вирусы

Вирусы — это облигатные паразиты клеток, то есть вне клеток они не могут воспроизводиться. У них отсутствует аппарат синтеза белка, в частности рибосомы, и они не могут самостоятельно синтезировать белки. Вирусная частица представляет собой молекулу или несколько молекул ДНК или РНК, одетые оболочкой из белков (капсидом), иногда имеется мембрана, отпочковавшаяся от мембраны хозяйской клетки. Вирусные белки, закодированные в геноме вируса, производятся при инфекции в клетке хозяина.

Клеточные организмы

Все клеточные организмы разделяются на две группы:

·         надцарство эукариоты, или ядерные, имеющие оформленное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной оболочкой;

·         надцарство прокариоты, или доядерные, не имеющие ядерной оболочки (см. рис. 1).

Рис. 1. Классификация живых организмов

К прокариотам относятся очень мелкие одноклеточные организмы без ядра. Среди них можно выделить царство бактерии и царство археи, или архебактерии.

К эукариотам относятся три основных царства многоклеточных организмов -- царства животные, растения и грибы, — а также одноклеточные (например, амебы, инфузории и др.), которых объединяют в царство протисты, или простейшие. Царство простейшие, то есть одноклеточные эукариоты, в настоящее время признано сборной (то есть разнородной по происхождению) группой и разделено на множество царств организмов на основании особенностей строения внутриклеточных структур и последовательностей ДНК. Растения, животные и грибы, по-видимому, независимо произошли от разных групп одноклеточных эукариот. 

СОВРЕМЕННАЯ СИСТЕМАТИКА. ДОМЕНЫ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

 В настоящее время, основываясь на особенностях строения клеток и последовательностях ДНК, ученые выделяют три домена живой природы (рис. 2) — большие группы, эволюционно разошедшиеся очень давно и отличающиеся друг от друга целым набором признаков. Особенности строения их клеток различны. Домены:

1. Археи (раньше назывались архебактериями). 

2. Эубактерии (то есть настоящие бактерии, в отличие от архей). К этой группе относятся и цианобактерии (прежнее название — сине-зеленые водоросли) — фотосинтезирующие прокариотические организмы. 

3. Эукариоты — простейшие, растения, животные и грибы. 

  ПРОКАРИОТЫ

    Клетки прокариот мелкие (не более нескольких мкм) и относительно просто устроенные. Они обычно не имеют внутренних мембранных органелл. У них отсутствует ядерная оболочка, и ДНК находится непосредственно в цитоплазме. Все прокариоты, кроме внутриклеточных паразитов, имеют клеточную стенку из муреина, некоторые имеют капсулу.

    Часть прокариот способны к фото- или хемосинтезу. Фотосинтезируют, например, цианобактерии, которых раньше иногда называли сине-зелеными водорослями. Другие прокариоты питаются, поглощая низкомолекулярные органические вещества через поверхность клетки. Такие бактерии могут поселяться в продуктах питания, вызывая их порчу либо, наоборот, способствуя получению кисломолочных продуктов, квашению овощей (лактобактерии). Также, поселяясь в организме человека, бактерии могут вызывать заболевания, например, столбняк, холеру, дифтерию.

     Археи — особая, крайне своеобразная группа прокариот, обитающая в экстремальных местообитаниях — в горячих источниках, в соленом Мертвом море и т. п., а также в почве, кишечнике животных, морской воде. В силу наличия множества уникальных признаков, а также генетических и молекулярных отличий в настоящее время архей выделяют в отдельный домен клеточных организмов — большую самостоятельную группу, наравне с настоящими бактериями (эубактериями) и эукариотами.

Растения

     Для растений характерно наличие пластид — органелл, к которым относятся хлоропласты, благодаря чему подавляющее большинство из них способны к фотосинтезу. Пластиды, по всей видимости, образовались из цианобактерий — симбионтов древней эукариотной клетки. Фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии солнечного света. Поэтому растения не нуждаются в органических веществах для своей жизнедеятельности, то есть вообще не нуждаются в питании органикой. Такие организмы называются автотрофными, все необходимые органические вещества они образуют сами. Воду и минеральные вещества (соли) они всасывают из окружающей среды в виде раствора.     Фотосинтезирующие клетки растения, например, в листьях, выделяют сахара и другие органические вещества, которые транспортируются в другие ткани по проводящим пучкам, и клетки нефотосинтезирующих тканей (не зеленых) поглощают эти вещества, питаясь ими. Такой тип питания называется осмотрофным — всасывание клетками низкомолекулярных органических веществ из среды.

    Клетки растений окружены прочной клеточной стенкой, основу которой составляют волокна полисахарида целлюлозы. Прочная клеточная стенка препятствует растяжению клеточной мембраны под действием осмотического давления (давления поступающей в клетку воды). Для клеток растений характерно также наличие крупной центральной вакуоли, которая регулирует осмотическое давление и кислотность среды в клетке, накапливает ненужные клетке продукты обмена, которые не могут быть выведены за ее пределы, а в ряде случаев служит для отложения запасных питательных веществ (рис. 3).

Рис. 3. Строение клетки растений

Животные

Животные являются гетеротрофами, т.е. питаются готовыми органическими веществами. Клетки животных не имеют клеточной стенки. Поэтому некоторые типы клеток животных способны к сокращению — мышечные клетки. Это позволяет животным активно двигаться (или проталкивать сквозь себя среду, как у неподвижных фильтраторов). У многоклеточных животных имеется тот или иной тип опорно-двигательного аппарата, а для управления движением и реакции на внешние факторы формируется нервная система. 

Животные движутся в поисках источников органических веществ, то есть пищи. Животное поглощает пищу, и она попадает в полость пищеварительной системы, где переваривается, при этом полимеры (высокомолекулярные вещества) пищи расщепляются на мономеры (их низкомолекулярные звенья). Эти мономеры поступают из пищеварительной системы через ее выстилку в кровь (если она есть) и тканевую жидкость. Такой тип питания называется голозойным. В основном клетки животных поглощают низкомолекулярные вещества, растворенные в крови и тканевой жидкости. Некоторые животные клетки способны к поглощению крупных пищевых частиц (фагоцитоз), например фагоциты иммунной системы, поглощающие бактерии.

Рис. 4. Строение клетки животных

Грибы

Третье царство — грибы — по одним признакам сходно с растениями, а по другим — с животными. Так же, как и растения, грибы имеют клеточную стенку, но она формируется на основе другого полисахарида — хитина. Не имея пластид, грибы не способны к фотосинтезу и питаются готовыми органическими соединениями, т. е. являются гетеротрофами, как животные. Они также расщепляют сложные питательные вещества-полимеры с помощью ферментов, но, в отличие от животных, не имеют пищеварительной системы и не заглатывают пищу, а выделяют ферменты в окружающую среду. Образовавшиеся мономеры клетки гриба впитывают в виде раствора из среды, то есть проявляют осмотрофный тип питания. В отличие от растений, у грибов обычно отсутствует крупная центральная вакуоль. В большинстве случаев клетки грибов после деления не расходятся, а поскольку деление происходит в одной плоскости, образуются длинные нити — гифы. Гифы могут ветвиться и, переплетаясь, образовывать сеть — мицелий, иногда довольно плотный.

Рис. 5. Строение клетки грибов

Одноклеточные эукариоты

Существуют разные одноклеточные эукариоты с разными особенностями клеток и типами питания. Среди них есть гетеротрофные одноклеточные, такие как амебы и инфузории. Они питаются путем фагоцитоза, то есть поглощения клетками твердых пищевых частиц, например, бактерий, и пиноцитоза — поглощения капелек питательной жидкости. Эти организмы способны к перемещению: инфузории движутся за счет биения покрывающих клетку ресничек, а амебы — путем амебоидного движения (изменения формы клетки и ее перетекания, «ползания» по поверхности, к которой прикрепляются). 

Существуют и автотрофные одноклеточные, способные к фотосинтезу, в частности одноклеточные водоросли — хламидомонада (движется, имеет жгутики), хлорелла (неподвижна). Некоторые одноклеточные, такие как эвглена зеленая, — миксотрофы, то есть способны переключаться между фотосинтезом (автотрофностью) и гетеротрофным питанием в зависимости от условий среды. 

Таким образом, царства эукариот различаются между собой по строению клеток и способам питания. 

Систематика эукариот

В основу современной классификации легли новые молекулярные данные, а также различия в строении клеток разных групп эукариот. Наиболее важны для классификации такие признаки, как строение жгутиков, хлоропластов и митохондрий. 

Группа Unikonta (одножгутиковые) включает в себя: 

Amoebozoe

- Трубчатые кристы митохондрий

- Пластиды отсутствуют 

- Жгутики обычно утрачены (представлены на некоторых стадиях развития или нефункциональны), передвижение обычно за счет псевдоподий. 

- Представители: амебы, миксомицеты и др. 

Opisthokonta (Заднежгутиковые) 

- Пластинчатые кристы митохондрий

- Пластиды отсутствуют

- Жгутик один, задний

- Представители: грибы (за исключением оомицетов и миксомицетов), хоанофлагелляты, животные (Metazoa) и др. 

Группа Bikonta (двужгутиковые) включает в себя: 

Archaeplastida 

- Пластинчатые кристы митохондрий

- Хлоропласты двумембранные, пигменты хлорофиллы, а и b

- Представители: красные, зеленые, харовые водоросли, растения (от мхов до покрытосеменных) и др. 

Excavates

- Кристы митохондрий в виде теннисных ракеток

- Хлоропласты с тремя мембранами, пигменты хлорофиллы, а и b

- Представители: эвгленовые водоросли, кинетопластиды (трипаносомы, лейшмании) и др. 

SAR (объединяет три кластера, кристы митохондрий трубчатые) 

Rhizaria

- У большинства пластиды отсутствуют

- Есть ризоподии

- Представители: фораминиферы, солнечники, радиолярии и др. 

Alveolates

- Апикопласт (остаток 4-х мембранной пластиды) или 3(4)-х мембранные хлоропласты динофлагеллятовых водорослей

- Есть альвеолы под клеточной мембраной - мембранные пузырьки (пустые,с белковым или углеводным наполнителем)

- Представители: динофлагеллятовые водоросли, инфузории, споровики и др. 

Stramenopiles

- Пластиды 4-х мембранные, пигменты - хлорофиллы, а и с

- Трехчастные мастигонемы на жгутиках

- Представители: охрофитовые водоросли (включат бурые, золотистые, диатомовые…), опалины и др. 

Особенности строения животной клетки

Цитология — наука, изучающая строение, развитие и жизнедеятельность клеток.

Клетка — основная структурная и функциональная единица организма.

Органоиды (органеллы) — постоянные части клетки, выполняющие определенные функции. В зависимости от строения органоиды бывают двумембранными, одномембранными и немембранными.

Включения — временные образования, входящие в состав клетки: крахмальные зерна, кристаллы солей, капли жира и т.п.

Органоид	Строение	Функция
ядро	округлое образование, покрытое двухслойной ядерной мембраной; содержит хромосомы (хроматин)	хранение и передача наследственной информации
клеточная (цитоплазматическая) мембрана	два слоя жиров (липидов) и молекулы белка	·         отделяет внутреннее содержимое клетки; ·         избирательный транспорт веществ; ·         защитная функция; ·         рецепторная функция
цитоплазма	внутренняя среда клетки; состоит из цитозоля (гиалоплазмы), органоидов и включений	среда для всех клеточных процессов: химических реакций и транспорта веществ
Эндоплазматическая сеть (ретикулум) - ЭПС	сеть мембран, соединяющих клеточную мембрану с ядерной мембраной; два вида: ·         гладкая ЭПС ·         шероховатая ЭПС (с рибосомами)	синтез мембран; гладкая ЭПС: синтез и транспорт жиров и углеводов; шероховатая ЭПС: синтез и транспорт белков
Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи)	"стопка" одномембранных трубочек, пузырьков и цистерн около ядра	·         транспорт белков ·         синтез ферментов ·         образование лизосом
лизосомы	мелкие пузырьки, покрытые однослойной мембраной; внутри поддерживается кислая среда, содержат пищеварительные ферменты	внутриклеточное пищеварение
вакуоли	одномембранные небольшие пузырьки	·         пищеварительная вакуоль: пищеварение; ·         сократительная вакуоль: выделение из клетки излишка воды и непереваренных остатков пищи
митохондрии	овальное тельце, окруженное двухслойной мембраной: наружная мембрана гладкая, внутренняя - образует складки (кристы)	энергетический обмен (клеточное дыхание)
рибосомы	самые мелкие органоиды (видны только в электронный микроскоп); состоят из двух частей: большой и малой субъединиц	синтез белков
клеточный центр	две центриоли (цилиндры из микротрубочек), расположенные перпендикулярно друг к другу	деление клетки

СРАВНЕНИЕ СТРОЕНИЯ ЖИВОТНОЙ И РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Элементы строения	Животная клетка	Растительная клетка
клеточная стенка	-	+
крупная центральная вакуоль	-	+
пластиды	-	+
клеточный центр	+	-

Общие принципы строения клеток. Клеточная теория. Про- и эукариоты

Универсальной структурно-функциональной единицей живого является клетка. Клетки – достаточно мелкие образования, видимые, как правило, только в микроскоп, поэтому открытие и исследование клеток тесно связано с развитием микроскопической техники. Характерные размеры клеток: 1–5 мкм для бактерий и 10–100 мкм для клеток животных и растений (микрометр, мкм = 10−6 м, то есть тысячная доля миллиметра). Предел разрешающей способности человеческого глаза — порядка 100 мкм (1/10 мм), но при этом нужно учитывать, что объект должен быть контрастным. Отдельные клетки, даже крупные, в составе ткани увидеть часто невозможно из-за низкого контраста, и, как правило, для его повышения требуется окрашивание препарата. Случай, когда одноклеточное размером порядка 100–200 мкм можно увидеть невооруженным глазом, — наблюдение на темном фоне в боковом свете. Подобно тому, как за счет рассеяния света можно видеть пылинки в косом солнечном луче, в этом случае можно увидеть и клетку.

Однако в большинстве случаев для обнаружения клеток необходимы оптические приборы и методики подготовки препаратов. По-видимому, первый микроскоп был сконструирован отцом и сыном Янссенами в конце XVI в., но он был весьма несовершенным. 

Термин «клетка» ввел английский естествоиспытатель Роберт Гук (рис. 1). Он сконструировал микроскоп и, изучая с его помощью различные объекты, в 1665 г. обнаружил, что срез обычной винной пробки образован правильно расположенным прямоугольными ячейками (cells), которые он и назвал клетками (рис. 2 — иллюстрация из его книги «Микрография»). Он видел не живые клетки, а клеточные стенки, так как пробка — это мертвая ткань. В дальнейшем подобные образования были обнаружены в других биологических объектах, и термин «клетка» стал общепринятым. 

Рис. 1                                                                               Рис. 2

Большой вклад в изучение клеток внес голландский ученый Антони ван Левенгук. В конце XVII в. он изготовил микроскоп и обнаружил различные микроорганизмы в зубном налете, в воде из лужи и настое растений.  Микроскоп Левенгука был им существенно усовершенствован и давал гораздо больше возможностей, чем более примитивные микроскопы предшественников. Так был открыт невидимый глазу мир микробов, которых Левенгук назвал «зверьками». Также он впервые наблюдал и зарисовал клетки животных — сперматозоиды и эритроциты (красные кровяные тельца). Левенгук описал свои наблюдения в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопов». 

После этого начался период бурного развития микроскопии, что привело к накоплению информации о клеточном строении тканей растений и животных. По мере развития микроскопической техники стало ясным, что клетки являются универсальными компонентами живого. 

На основании многочисленных наблюдений животных и растительных клеток в 1838 г. ботаником Маттиасом Шлейденом и гистологом, физиологом, цитологом Теодором Шванном была сформулирована клеточная теория. По мере дальнейшего развития цитологии — науки о клетке —  эта теория была развита и дополнена.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ

1.      Клетка является минимальной структурной и функциональной единицей живого («вне клетки жизни нет»). Вирусы не имеют клеточного строения, однако все свойства живого (такие как метаболизм, самовоспроизведение) они проявляют только внутри живой клетки хозяина, которого инфицировали.
Все живые организмы состоят из клеток и образованного ими внеклеточного вещества. Многоклеточный организм — это система клеток и выделенного ими межклеточного вещества, образовавшийся в результате деления 1 исходной клетки (оплодотворенной яйцеклетки — зиготы).

2.      Несмотря на значительные различия в размере и форме клеток, все они имеют общий план строения. Шванн и Шлейден считали, что у всех клеток есть оболочка, цитоплазма и ядро, что характерно для клеток растений и животных, однако дальнейшее развитие микроскопии позволило выяснить, что существуют и клетки без ядра (то есть без ядерной оболочки), например клетки бактерий. Они гораздо мельче, чем клетки растений и животных. Однако химические основы, общие принципы строения и жизнедеятельности клеток являются общими для всех живых организмов. Это одно из доказательств единства происхождения живой природы и родства всего живого на Земле.

3.      Клетки не возникают заново из неклеточного вещества, а образуются путем деления ранее существующих клеток (так называемое дополнение Вирхова, сделанное Рудольфом Вирховым в 1858 г.). Предполагается, что миллиарды лет назад клетки возникли абиогенным путем в процессе происхождения жизни из неживого вещества, однако считается, что в настоящее время это невозможно, так как отсутствуют подходящие условия. Еще великий французский ученый Луи Пастер (1822–1895 гг.) в своих опытах с кипячением питательных сред в специальных колбах с изогнутыми носиками, куда не попадали микроорганизмы и их споры, доказал невозможность самозарождения жизни из неживой материи. 

про- и эукариоты

Все клеточные организмы разделяются на две группы:

·         прокариоты, или доядерные, не имеющие ядерной оболочки; 

·         эукариоты, или ядерные, у которых генетический материал (ДНК) находится в ядре и отделен от цитоплазмы ядерной оболочкой.

К прокариотам относятся очень мелкие одноклеточные организмы без ядра. Среди них можно выделить царство бактерии и царство археи (ранее архебактерии). 

К эукариотам относятся три основных царства многоклеточных организмов — царства животные, растения и грибы, — а также одноклеточные эукариоты (например, амебы, инфузории и др.), которых объединяют в царство протисты, или простейшие (в настоящее время признано сборной, то есть разнородной по происхождению, группой и разделено на множество царств одноклеточных организмов).

ОСОБЕННОСТИ КЛЕТОК ПРО- И ЭУКАРИОТ

Клетки про- и эукариот весьма различны. Прокариоты — более древние и просто устроенные организмы (рис. 3). Их клетки очень мелкие, порядка нескольких микрометров (1–5 мкм). Они не имеют ядра и практически не имеют внутренних мембранных структур — органелл, характерных для клеток эукариот. Обычно они имеют поверх мембраны клеточную стенку и иногда дополнительно слизистую капсулу. В цитоплазме находится ДНК, эту структуру называют нуклеоид («нуклеус» — ядро, «ойдес» — подобный). ДНК у прокариот кольцевая. Помимо основной хромосомы могут иметься дополнительные маленькие кольца ДНК — плазмиды. В цитоплазме находится много рибосом — органелл наподобие гранул, осуществляющих биосинтез белка. Клетки прокариот могут иметь жгутики.

Часть прокариот способны к фото- или хемосинтезу. Фотосинтезируют, например, цианобактерии, которые раньше иногда называли сине-зелеными водорослями. Другие прокариоты питаются, поглощая низкомолекулярные органические вещества через поверхность клетки. Такие бактерии могут поселяться в продуктах питания, вызывая их порчу либо, наоборот, способствуя получению кисломолочных продуктов, квашению овощей (лактобактерии). Также, поселяясь в организме человека, бактерии могут вызывать заболевания, например столбняк, холеру, дифтерию.

Археи — особая, крайне своеобразная группа прокариот, обитающая в экстремальных местах обитания — в горячих источниках, в соленом Мертвом море и т. п., а также в почве, в кишечниках животных.

Рис. 3. Строение клетки прокариот

Клетки эукариот во много раз больше (10–100 мкм) и гораздо сложнее устроены (рис. 4), чем клетки прокариот. В цитоплазме у них много сложно устроенных органелл, в том числе мембранных, например, эндоплазматическая сеть (ЭПС), ИЛИ (её другое название) эндоплазматический ретикулум (ЭР), аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, митохондрии, иногда пластиды.

Ядро эукариот имеет двухмембранную ядерную оболочку. Внутри ядра находятся молекулы ДНК, они не кольцевые, а линейные, и их обычно несколько или много (не менее двух). Они находятся в комплексе с белками в составе хромосом. Структура большой и сложной клетки эукариот поддерживается системой белковых волокон — цитоскелетом, который у прокариот практически не развит. Цитоскелетные нити также участвуют в распределении хромосом по дочерним клеткам при делении эукариот.

Клетки эукариот, как правило, способны поглощать частицы из среды путем впячивания мембраны, что для прокариот не характерно. Этот процесс называется эндоцитозом. Характерен для эукариот и обратный процесс — экзоцитоз — секреция клеткой веществ путем слияния пузырьков с наружной мембраной. Цитоскелет и большое количество мембранных органелл, по всей видимости, и позволили клеткам эукариот приобрести в ходе эволюции большие размеры. Только у эукариота встречается настоящая многоклеточность.

Подробные сведения об органеллах клеток эукариот можно найти в отдельных посвященных им темах.

Рис. 4. Строение клетки эукариот

Основные (хотя и не все) различия клеток про- и эукариот приведены в таблице.

Признаки	Прокариоты	Эукариоты
ядерная оболочка	нет	есть
размер клеток	мелкий (1–5 мкм)	крупный  (50–200 мкм)
ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли	нет	есть
митохондрии, пластиды	нет	есть
рибосомы	мельче	больше
ДНК	1 кольцевая	много линейных хромосом
цитоскелет	не развит	развит
азотфиксация	бывает	не бывает
эндоцитоз	нет	есть
жгутики	внешние (не покрыты мембраной)	внутренние  (покрыты мембраной)

Строение клеток прокариот. Бактерии

Биология. Подготовка к олимпиадам. 8–9 классы.

Клетки прокариот не имеют ядерной оболочки (греч. «про» — до, «карион» — ядро), отличаются мелкими размерами (обычно 1 — 5 мкм) и простотой строения.

ПОВЕРХНОСТНЫЙ АППАРАТ

Все клетки, в том числе и клетки прокариот, окружены цитоплазматической мембраной. Она изолирует содержимое клетки от окружающей среды, осуществляет транспорт веществ из клетки и в клетку, воспринимает сигналы из окружающей среды. Таким образом, мембрана обеспечивает поддержание постоянства внутриклеточной среды.

Поверх мембраны у прокариота (за исключением некоторых паразитических групп) находится клеточная стенка. Она выполняет функцию механической защиты клетки от внешних повреждений и давления воды изнутри клетки (в результате осмоса). У настоящих бактерий в основе клеточной стенки лежит муреин. Муреин — пептидогликан, который представляет собой длинные полисахаридные цепи, сшитые короткими пептидными мостиками. В результате формируется непрерывная молекулярная сетка, окружающая всю бактериальную клетку.

По строению поверхностного аппарата бактерии делятся на две большие группы — грамположительные (грам+) и грамотрицательные (грам–). Эти названия даны из-за разной способности таких клеток окрашиваться по Граму (определенный метод окрашивания).

1.      У грамположительных бактерий муреиновый слой достаточно толстый. Также в их клеточной стенке содержатся особые соединения — тейхоевые кислоты.

2.      У грамотрицательных бактерий тонкий муреиновый слой сверху покрыт второй мембраной. Между мембранами имеется периплазматическое пространство.  

 Рис. 1. Строение поверхности грам+ и грам– бактерий

 У некоторых видов бактерий поверх клеточной стенки имеется дополнительный внешний слой, называемый капсулой. В отличие от стенки, он неплотный, прозрачный. Он состоит из непрочно связанных между собой полисахаридов и защищает клетку от механических повреждений, а в случае болезнетворных бактерий — от защитных систем организма-хозяина.

Рис. 2. Капсула бактерии. Раскрашенная электронная микрофотография

Рис. 3. Строение бактериальной клетки

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ

На электронной микрофотографии внутри бактериальной клетки в электронный микроскоп можно увидеть области разной плотности.

Рис. 4

Более прозрачная для электронов (светлая) часть содержит ДНК и называется нуклеоидом (греч. «нуклеус» — ядро, «ойдес» — подобный). Она не отделена от остальной части клетки, называемой цитоплазмой, и имеет примерно такой же состав. ДНК у прокариот представлена, как правило, одной кольцевой молекулой, в определенной точке прикрепленной к цитоплазматической мембране.

По всему внутреннему пространству клетки бактерий разбросаны рибосомы, количество которых может достигать 10 000 на клетку. Из-за этого цитоплазма выглядит на электронной микрофотографии более темной, гранулярной. Кроме этого, внутри клетки имеются немногочисленные впячивания цитоплазматической мембраны, называемые мезосомами. Ранее считалось, что они являются местом синтеза АТФ; согласно новым данным, скорее всего, это артефакты фиксации, и дыхание происходит и в других участках мембраны.

Иногда в клетках некоторых бактерий наблюдаются гранулы каких-либо веществ. Они могут содержать запасные питательные вещества (полисахариды, капли жира, полифосфаты) или отходы обмена веществ, которые клетки не могут вывести наружу (сера, окислы железа и др.). Такие гранулы называются включениями (см. рис. 5).

Рис. 5

Снаружи от оболочки бактериальной клетки могут располагаться длинные нитевидные структуры двух типов. Первые из них — жгутики — представляют собой белковые спирали, способные вращаться относительно мембраны бактериальной клетки и обеспечивать движение бактерий за счет «ввинчивания» бактерии в среду. Жгутики есть не у всех бактерий. Вторая группа нитей — пили — не способна к движению, но обеспечивает прикрепление бактерий к другим клеткам.

СПОРООБРАЗОВАНИЕ

Некоторые бактерии способны образовывать споры. Споры у бактерий служат не для размножения, а для перенесения неблагоприятных условий. Спора образуется внутри клетки (одна в каждой клетке). В ее состав обязательно входит генетический материал бактерии. Спора одевается плотной оболочкой, после чего все оставшиеся внешние части клетки отмирают.

Рис. 7. Споры в клетках возбудителя сибирской язвы

Споры бактерий, как правило, выдерживают кипячение. Уничтожить их можно только путем автоклавирования (обработка паром под давлением, обычно при температуре 120^о С), прокаливания. Уничтожение всех бактерий и их спор называется стерилизацией. 

ЭКОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

Бактерии способны существовать в самых разнообразных условиях. Их находят в атмосфере на высоте нескольких километров и на дне океанов. Некоторые виды бактерий живут даже на глубине нескольких километров под землей в нефтяных и угольных пластах. 

Бактерии, несмотря на свои малые размеры, осуществляют крупномасштабные процессы в биосфере.

1. Бактерии являются одной из важнейших групп редуцентов — организмов, осуществляющих разложение мертвого органического вещества.

2. Многие бактерии способны осуществлять образование органических веществ из неорганических, то есть являются автотрофами. Они могут делать это за счет фотосинтеза с использованием энергии света (фотоавтотрофы, прежде всего цианобактерии — зеленые, содержат хлорофилл, являются предками хлоропластов) или хемосинтеза — окисления неорганических веществ (хемоавтотрофы).

Рис. 8. Цианобактерии (фотосинтетики)

Таким образом, прокариоты могут являться производителями биомассы — продуцентами, в некоторых биоценозах важнейшими или единственными. Так, бактерии-хемосинтетики, прежде всего, окисляющие сероводород, являются единственными продуцентами в глубоководных экосистемах черных и белых курильщиков — океанических геотермальных источников.

Рис. 9

3. Только бактерии способны превращать молекулярный азот атмосферы в азот органических соединений, т. е. осуществлять азотфиксацию. Фиксируют азот, например, клубеньковые бактерии — симбионты бобовых растений, а также цианобактерии.

БАКТЕРИИ И ЧЕЛОВЕК

Бактерии играют важную роль в жизни человека.

1.      Прежде всего надо сказать о болезнетворных бактериях, вызывающих различные заболевания человека, домашних животных и культурных растений (см. тему «Бактериальные и вирусные заболевания человека»).

2.      Кроме того, бактерии вызывают порчу продуктов питания и разрушение различных материалов.

3.      Ряд бактерий используется человеком в его хозяйственной деятельности. Бактерии используются в пищевой промышленности для получения йогуртов, простокваши, сыров и ряда других молочнокислых продуктов. Благодаря бактериям осуществляются процессы квашения капусты, засолки огурцов, силосования кормов.

4.      Осуществляемые бактериями процессы брожения являются промышленным источником ряда веществ, таких как ацетон, молочная и масляная кислота.

5.      Некоторые бактерии и близкие к ним актиномицеты вырабатывают антибиотики, используемые в медицине. Бактерии являются источником для получения ряда ферментов, используемых в пищевой промышленности, медицине и других отраслях.

АРХЕИ

Безъядерные, то есть прокариотные, клетки, имеет и совершенно особая группа живых организмов, отличающаяся и от бактерий, и от эукариот, — археи (см. тему «Основные царства живых организмов»). По размерам и строению клетки архей очень похожи на клетки бактерий, но сильно отличаются по биохимическим и молекулярно-биологическим признакам. Например, у части архей мембрана совершенно не похожа на мембраны всех остальных организмов — она состоит не из фосфолипидов, а из простых эфиров полиизопреноидных спиртов (то есть спиртов, образованных единицами изопрена, как, например, натуральный каучук). Клеточная стенка архей состоит либо из псевдомуреина, напоминающего муреин, либо из белков, что также не встречается у других организмов. Археи, в отличие от других бактерий, никогда не образуют спор.

Рис. 10. Клетки метаногенных архей (раскрашенная электронная микрофотография)

Рис. 11. Редвуд-Сити, Калифорния. Вид с воздуха. В соленых водоемах живут пурпурные археи

Изначально считалось, что все археи —  экстремофилы, то есть обитают в экстремальных условиях. Археи живут в насыщенных солью озерах, таких как Мертвое море. Также они обитают в горячих источниках, где температура может превышать 100^о С. Однако впоследствии археи были обнаружены и в других местообитаниях, включая почву, океаны, болота и толстую кишку человека. Многочисленны археи среди океанического планктона. Археи играют важную роль в круговоротах углерода и азота. Ни один из известных представителей архей не является паразитом или болезнетворным организмом, однако для них часто характерен симбиоз или комменсализм. Метанообразующие археи обитают в пищеварительном тракте человека и жвачных, где многочисленны и участвуют в процессах пищеварения. Метаногенные археи используются в производстве биогаза и очистке канализационных сточных вод. Ферменты архей-экстремофилов, сохраняющие активность при высоких температурах и в контакте с органическими растворителями, находят свое применение в биотехнологии.

Вирусы – неклеточная форма жизни

Биология. Подготовка к олимпиадам. 8–9 классы.

Вирус (от лат. virus — яд) — простейшая форма жизни, микроскопическая частица, представляющая собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку (капсид) и способные инфицировать живые организмы.

Вирусы, за редким исключением, содержат только один тип нуклеиновой кислоты: либо ДНК, либо РНК (некоторые, например мимивирусы, имеют оба типа молекул).

Вирусы являются облигатными паразитами, так как не способны размножаться вне клетки. Вне клетки вирусные частицы ведут себя как химические вещества.

В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты).

Рис. 1 Бактериофаг

Строение вирусов

Просто организованные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и нескольких белков, образующих вокруг нее оболочку — капсид. Примеров таких вирусов является вирус табачной мозаики. Его капсид содержит один вид белка с небольшой молекулярной массой. 

Рис. 2 Вирус табачной мозаики

Сложно организованные вирусы имеют дополнительную оболочку — белковую или липопротеиновую; иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы. Примером сложно организованных вирусов служат возбудители гриппа и герпеса. Их наружная оболочка — это фрагмент ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду.

  

Рис. 3 Вирус гриппа

Распространение вирусов на Земле

Вирусы являются одной из самых распространенных форм существования органической материи на планете по численности: воды мирового океана содержат колоссальное количество бактериофагов (около 250 миллионов  частиц на миллилитр воды), их общая численность в океане — около 4×1030, а численность вирусов (бактериофагов) в донных отложениях океана практически не зависит от глубины и всюду очень высока. В океане обитают сотни тысяч видов (штаммов) вирусов, подавляющее большинство которых не описаны и тем более не изучены. Вирусы играют важную роль в регуляции численности популяций некоторых видов живых организмов (например, вирус дикования раз в несколько лет сокращает численность песцов в несколько раз).

Процесс вирусного инфицирования

Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на несколько взаимоперекрывающихся этапов:
• проникновение в клетку
• перепрограммирование клетки
• персистенция (переход в неактивное состояние)
• создание новых вирусных компонентов
• созревание новых вирусных частиц и их выход из клетки

ПРОНИКНОВЕНИЕ В КЛЕТКУ

На этом этапе вирусу необходимо доставить внутрь клетки свою генетическую информацию. Некоторые вирусы переносят также собственные белки, необходимые для ее реализации. Различные вирусы для проникновения в клетку используют разные стратегии: например, пикорнавирусы впрыскивают свою РНК через плазматическую мембрану, а вирионы ортомиксовирусов захватываются клеткой в ходе эндоцитоза, попадают в кислую среду лизосом, где происходит их окончательное созревание (депротеинизация вирусной частицы), после чего РНК в комплексе с вирусными белками преодолевает лизосомальную мембрану и попадает в цитоплазму. Вирусы также различаются по локализации их репликации, часть вирусов (например, те же пикорнавирусы) размножается в цитоплазме клетки, а часть (например, ортомиксовирусы) — в ее ядре.

ПЕРЕПРОГРАММИРОВАНИЕ КЛЕТКИ

При заражении вирусом в клетке активируются специальные механизмы противовирусной защиты. Зараженные клетки начинают синтезировать сигнальные молекулы — интерфероны, переводящие окружающие здоровые клетки в противовирусное состояние и активирующие системы иммунитета. Повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут быть обнаружены системами внутреннего клеточного контроля, и такая клетка должна будет «покончить жизнь самоубийством» в ходе процесса, называемого апоптозом или программируемой клеточной смерти. От способности вируса преодолевать системы противовирусной защиты напрямую зависит его выживание. Неудивительно, что многие вирусы (например, пикорнавирусы, флавивирусы) в ходе эволюции приобрели способность подавлять синтез интерферонов, апоптозную программу и т.д.

Кроме подавления противовирусной защиты вирусы стремятся создать в клетке максимально благоприятные условия для развития своего потомства.

ПЕРСИСТЕНЦИЯ

Некоторые вирусы могут переходить в латентное состояние (так называемая персистенция для вирусов эукариот или лизогения для бактериофагов — вирусов бактерий), слабо вмешиваясь в процессы, происходящие в клетке, и активироваться лишь при определенных условиях. Так построена, например, стратегия размножения некоторых бактериофагов — до тех пор, пока зараженная клетка находится в благоприятной среде, фаг не убивает ее, наследуется дочерними клетками и нередко интегрируется в клеточный геном. Однако при попадании зараженной лизогенным фагом бактерии в неблагоприятную среду возбудитель захватывает контроль над клеточными процессами, так что клетка начинает производить материалы, из которых строятся новые фаги (так называемая литическая стадия). Клетка превращается в фабрику, способную производить многие тысячи фагов. Зрелые частицы, выходя из клетки, разрывают клеточную мембрану, тем самым убивая клетку. С персистенцией вирусов (например, паповавирусов) связаны некоторые онкологические заболевания.

СОЗДАНИЕ НОВЫХ ВИРУСНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Размножение вирусов в самом общем случае предусматривает три процесса:

1.       Транскрипция вирусного генома, то есть синтез вирусной мРНК.

2.       Ее трансляция, то есть синтез вирусных белков.

3.       Репликация вирусного генома (в некоторых случаях, когда генетическая информация вируса закодирована в виде РНК, геномная РНК одновременно играет роль мРНК, и, следовательно, процесс транскрипции в паразитируемой клетке не происходит за ненадобностью).

У многих вирусов существуют системы контроля, обеспечивающие оптимальное расходование биоматериалов клетки-хозяина. Например, когда вирусной мРНК накоплено достаточно, транскрипция вирусного генома подавляется, а репликация, напротив, активируется.

СОЗРЕВАНИЕ ВИРИОНОВ И ВЫХОД ИЗ КЛЕТКИ

В конце концов новосинтезированные геномные РНК или ДНК одеваются соответствующими белками и выходят из клетки. Следует сказать, что активно размножающийся вирус не всегда убивает клетку-хозяина. В некоторых случаях (например, ортомиксовирусы) дочерние вирусы отпочковываются от плазматической мембраны, не вызывая ее разрыва. Таким образом, клетка может продолжать жить и продуцировать вирус.