Прокариоты – доядерные организмы

Все ли организмы имеют клетки с оформленным ядром?

Среди организмов, живущих на Земле, кроме эукариот, есть более древние организмы – прокариоты (от лат. pro – перед, вместо; karyon – ядро). Это одноклеточные организмы, которые не имеют оформленного ядра. К ним относятся бактерии, встречающиеся повсеместно: в воздухе, соленой и пресной воде, в организме животных, в том числе человека, и растений, в горячих источниках и даже в ядерных реакторах. Но особенно их много в почве – от 200–500 млн до 2 млрд и более на 1 г почвы.

До появления электронного микроскопа биологи полагали, что все клетки имеют один и тот же тип строения. Применение электронного микроскопа позволило выявить фундаментальные различия между строением прокариотических и эукариотических клеток.

Организация доядерных организмов-прокариот. Клетки прокариотических организмов имеют очень мелкие размеры (1 – 10 мкм). Самое главное отличие прокариот от эукариот состоит в отсутствии у первых настоящего ядра и ядерной оболочки. Вместо ядра имеется одна кольцевая двухцепочечная молекула ДНК, которую часто называют бактериальной хромосомой.

Основные функции ядерного аппарата прокариот (как и эукариот) заключаются в хранении, реализации наследственной информации и передаче ее дочерним поколениям. Эти функции определяет ДНК.

Для прокариот характерны также внехромосомные единицы наследственности – плазмиды. Плазмиды представляют собой кольцевые участки ДНК, свободно расположенные в цитоплазме. Они содержат гены, обеспечивающие, например, устойчивость бактерий к действию антибиотиков.

Кроме специфического строения ядерного аппарата, прокариоты отличаются и другими особенностями строения клетки.

Надмембранный комплекс поверхностного аппарата прокариотических клеток представлен жесткими стенками, содержащими органическое вещество муреин. Запасные вещества бактериальной клетки – полисахариды (крахмал, гликоген), жиры, сера.

У прокариот отсутствуют мембранные органоиды (митохондрии, пластиды, ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы). Вместо митохондрий и пластид у них имеются мезосомы, представляющие собой впячивания наружной мембраны клетки. На мезосомах протекают процессы клеточного дыхания. Фотосинтез у фотосиитезирующих бактерий происходит в тилакоидах.

Рибосомы в прокариотических клетках намного мельче, чем рибосомы эукариот, и располагаются они в цитоплазме свободно, не образуя полисом. В цитоплазме клеток прокариот отсутствуют клеточный центр и опорно-сократительный аппарат.

Различия между прокариотами и эукариотами настолько существенны, что их выделяют в разные надцарства (см. § 7).

Формы бактерий. В зависимости от формы клетки различают следующие группы бактерий: шаровидные – кокки, палочковидные – бациллы, дугообразно изогнутые – вибрионы, штопорообразной формы – спириллы (рис. 12).

Формы бактериальных клеток и размножение бактерий
Рис. 12. Формы бактериальных клеток и размножение бактерий

Многие бактерии способны к самостоятельному движению благодаря наличию у них простых жгутиков, не содержащих микротрубочек.

Несмотря на простоту организации, бактерии успешно сосуществуют с высокоорганизованными эукариотами. Более того, в настоящее время бактерии – биологически прогрессивная, процветающая группа организмов благодаря способности к быстрому размножению и образованию спор, устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Размножение и спорообразование у бактерий. Размножаются прокариоты путем простого деления надвое (см. рис. 12). В 50-х годах XX в. у бактерий был обнаружен половой процесс в форме обмена генетическим материалом между разными особями.

Прокариоты характеризуются чрезвычайно высокой устойчивостью к различным воздействиям окружающей среды. Прежде всего это относится к спорообразующим формам бактерий. Споры бактерий являются формой перенесения неблагоприятных условий среды (а не для размножения, как у растений или грибов). При образовании споры бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических изменений: в ней уменьшается количество свободной воды, снижается активность ферментов, протоплазма сжимается и покрывается очень плотной оболочкой. При наступлении благоприятных условий споры набухают и прорастают, образуя новую вегетативную клетку.

Питание и дыхание бактерий. Простым по своей организации бактериальным клеткам требуется для жизнедеятельности минимальное количество энергии. Вот почему бактерии могут использовать такие энергетически бедные источники, как окисление неорганических веществ (хемосинтезирующие бактерии, см. § 14) или энергию, выделяющуюся при разложении органических остатков (бактерии гниения и брожения).

По типу питания прокариоты подразделяют на две группы: автотрофов и гетеротрофов. Подробнее об автотрофах и гетеротрофах будет сказано в § 20.

Дыхание бактерий, в процессе которого образуется необходимая для жизни энергия, осуществляется с участием дыхательных ферментов. По отношению к кислороду бактерии подразделяют на существующих только в кислородной среде – аэробов (например, туберкулезная палочка и многие другие) и живущих в бескислородной среде – анаэробов (столбнячная палочка, палочка ботулизма и др., см. § 21).

Значение бактерий в природе и жизни человека. Благодаря жизнедеятельности бактерий происходит разложение и минерализация органических веществ, поставляемых отмершими организмами. Образовавшиеся при этом простые неорганические вещества (аммиак, сероводород, углекислый газ и др.) вовлекаются в общий круговорот веществ опять же с участием бактерий, без чего была бы невозможна жизнь на Земле.

Бактерии вместе с грибами, водорослями и лишайниками разрушают горные породы и участвуют в почвообразовательном процессе. Они играют значительную роль в поддержании плодородия почвы, участвуют в образовании гумуса из лесной подстилки и лежащих на ней гниющих растительных и животных остатков. (Гумус – слой разложившегося органического вещества, содержащий запас органических и минеральных веществ и обладающий способностью удерживать воду.) Бактерии участвуют в круговороте азота, серы, железа, марганца, кремния.

Роль бактерий в жизни человека неоднозначна. Некоторые из них полезны человеку. Например, многие млекопитающие, в том числе и человек, из-за отсутствия специальных ферментов не могут переваривать целлюлозу, входящую в пищу. Переваривание целлюлозы происходит благодаря бактериям, в норме обитающим в кишечнике. У кроликов такие бактерии живут в слепой кишке, у коров и овец – в рубце (отделе желудка). В кишечнике человека живут многие бактерии, некоторые из них синтезируют витамины группы В и витамин К. Некоторые бактерии обитают на коже человека, слизистой оболочке носовой и ротовой полостей, в толстом кишечнике и во влагалище, вытесняя собой болезнетворные микроорганизмы и тем самым оберегая человека от инфекционных заболеваний.

Бактерии необходимы для производства различных пищевых продуктов, основанного на брожении. На основе молочнокислого брожения производят все кисломолочные продукты (простоквашу, кефир, сметану, кумыс), квашеную капусту, сыры.

С 30-х годов XX столетия ученые начали заниматься выделением из некоторых бактерий веществ, обладающих антибиотическим свойством– способностью либо подавлять рост, либо совсем убивать другие микробы. Самый богатый источник антибиотиков – это бактерии, живущие в почве. Антибиотики широко применяются в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, промышленности и специальных научных исследованиях.

Бактерии могут причинять и вред человеку. Это проявляется в двух случаях. Во-первых, если не принять специальных мер, гнилостные бактерии портят пищевые продукты. Во-вторых, они могут быть возбудителями многих болезней животных, человека и растений. Некоторые болезнетворные бактерии разрушают клетки организма-хозяина, но большая часть бактерий вызывает заболевания, вырабатывая токсины, наносящие вред пораженному организму.

Вопросы и задания

  1. Объясните, каково строение ядерного аппарата в клетках прокариот.
  2. Каковы особенности строения поверхностного аппарата прокариотической клетки?
  3. О каких особенностях питания бактерий вы узнали?
  4. Каково значение спорообразования у бактерий?
  5. Каково значение бактерий в природе и жизни человека?
  6. Дайте сравнительную характеристику клеткам эукариот и прокариот. Определите, в чем состоит их сходство, в чем заключаются основные различия.