Бактерия

Хемосинтез

Использование лучистой энергии  – важнейший, но не единственный путь создания органического вещества из углекислого газа и воды. Известны бактерии, которые в качестве источника  энергии для такого синтеза используют не солнечный свет, а энергию химических связей, происходящих в клетках организмов при окислении некоторых неорганических соединений – сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотной кислоты, закисных соединений железа и марганца. Образованное с использованием этой химической энергии  органическое вещество они используют для построения клеток своего тела. Поэтому такой процесс называют хемосинтезом.

Важнейшую группу хемосинтезирующих  микроорганизмов составляют нитрифицирующие  бактерии. Эти бактерии живут в  почве и осуществляют окисление  аммиака, образовавшегося при гниении  органических остатков, до азотной  кислоты. Последняя, реагирует с  минеральными соединениями почвы, превращаются в соли азотной кислоты. Этот процесс  проходит в две фазы.

Железобактерии превращают закисное железо в окисное. Образованная гидроокись железа оседает и образует так называемую болотную железную руду.

Некоторые микроорганизмы существуют за счёт окисления молекулярного  водорода, обеспечивая тем самым  автотрофный способ питания.

Характерной особенностью водородных бактерий является способность переключаться  на гетеротрофный образ жизни  при обеспечении их органическими  соединениями и отсутствии водорода.

Таким образом, хемоавтотрофы  являются типичными автотрофами, так  как самостоятельно синтезируют  из неорганических веществ необходимые  органические соединения, а не берут  их в готовом виде от других организмов, как гетеротрофы. От фототрофных  растений хемоавтотрофные бактерии отличаются полной независимостью от света как источника энергии.

Бактериальный фотосинтез

Некоторые пигментосодержащие серобактерии (пурпурные, зелёные), содержащие специфические пигменты – бактериохлорофиллы, способны поглощать солнечную энергию, с помощью которой сероводород  в их организмах расщепляется и отдаёт атомы водорода для восстановления соответствующих соединений. Этот процесс  имеет много общего с фотосинтезом и отличается только тем, что у  пурпурных и зелёных бактерий донором водорода является сероводород (изредка – карбоновые кислоты), а у зелёных растений – вода. У тех и других отщепление и  перенесение водорода осуществляется благодаря энергии поглощённых  солнечных лучей.

Такой бактериальный фотосинтез, который происходит без выделения  кислорода, называется фоторедукцией. Фоторедукция углекислого газа связана  с перенесением водорода не от воды, а от сероводорода:

6СО₂+12Н₂S+hv → С6Н₁₂О₆+12S=6Н₂О

Биологическое значение хемосинтеза  и бактериального фотосинтеза в  масштабах планеты относительно невелико. Только хемосинтезирующие  бактерии играют существенную роль в  процессе круговорота серы в природе. Поглощаясь зелёными растениями в форме  солей серной кислоты, сера восстанавливается  и входит в состав белковых молекул. Далее при разрушении отмерших растительных и животных остатков гнилостными  бактериями сера выделяется в виде сероводорода, который окисляется серобактериями до свободной серы (или серной кислоты), образующий в почве доступные  для растения сульфиты. Хемо- и фотоавтотрофные  бактерии имеют существенное значение в круговороте азота и серы.

Спорообразование

Внутри бактериальной  клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических  процессов. В ней уменьшается  количество свободной воды, снижается  ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным  условиям внешней среды (высокой  температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий.

Споры – не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при  недостатке питательных веществ  или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях.

Размножение

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого  размера, бактерия делится на две  одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится  и так далее.

После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а  затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления  плоскости деления и числа  делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается  у бактерий как исключение.

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении  потомство одной бактерии за 5 суток  способно образовать массу, которой  можно заполнить все моря и  океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес – 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.

Бактерия (1), поглотившая  достаточно пищи, увеличивается в  размерах (2) и начинает готовиться к  размножению (делению клетки). Её ДНК (у бактерии молекула ДНК замкнута в кольцо) удваивается (бактерия производит копию этой молекулы). Обе молекулы ДНК (3,4) оказываются, прикреплены к  стенке бактерии и при удлинении  бактерии расходятся в стороны (5,6). Сначала делится нуклеотид, затем  цитоплазма.

После расхождения двух молекул  ДНК на бактерии появляется перетяжка, которая постепенно разделяет тело бактерии на две части, в каждой из которых есть молекула ДНК (7).

Бывает (у сенной палочки), две бактерии слипаются, и между  ними образуется перемычка (1,2).

По перемычке ДНК из одной бактерии переправляется в  другую (3). Оказавшись в одной бактерии, молекулы ДНК сплетаются, слипаются  в некоторых местах (4), после чего обмениваются участками (5).

Роль бактерий в природе

Круговорот

Бактерии – важнейшее  звено общего круговорота веществ  в природе. Растения создают сложные  органические вещества из углекислого  газа, воды и минеральных солей  почвы. Эти вещества возвращаются в  почву с отмершими грибами, растениями и трупами животных. Бактерии разлагают  сложные вещества на простые, которые  снова используют растения.

Бактерии разрушают сложные  органические вещества отмерших растений и трупов животных, выделения живых  организмов и разные отбросы. Питаясь  этими органическими веществами, сапрофитные бактерии гниения превращают их в перегной. Это своеобразные санитары нашей планеты. Таким образом, бактерии активно участвуют в  круговороте веществ в природе.

Почвообразование

Поскольку бактерии распространены практически повсеместно и встречаются  в огромном количестве, они во многом определяют различные процессы, происходящие в природе. Осенью опадают листья деревьев и кустарников, отмирают надземные  побеги трав, опадают старые ветки, время от времени падают стволы старых деревьев. Всё это постепенно превращается в перегной. В 1 см³. поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов сапрофитных почвенных бактерий нескольких видов. Эти бактерии превращают перегной в различные минеральные вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений.

Некоторые почвенные бактерии способны поглощать азот из воздуха, используя его в процессах  жизнедеятельности. Эти азотофиксирующие бактерии живут самостоятельно или  поселяются в корнях бобовых растений. Проникнув в корни бобовых, эти  бактерии вызывают разрастание клеток корней и образование на них клубеньков.

Эти бактерии выделяют азотные  соединения, которые используют растения. От растений бактерии получают углеводы и минеральные соли. Таким образом, между бобовым растением и  клубеньковыми бактериями существует тесная связь, полезная как одному, так и другому организму. Это  явление носит название симбиоза.

Благодаря симбиозу с клубеньковыми  бактериями бобовые растения обогащают  почву азотом, способствуя повышению  урожая.

Распространение в природе

Микроорганизмы распространены повсеместно. Исключение составляют лишь кратеры действующих вулканов и  небольшие площадки в эпицентрах взорванных атомных бомб. Ни низкие температуры Антарктики, ни кипящие  струи гейзеров, ни насыщенные растворы солей в соляных бассейнах, ни сильная инсоляция горных вершин, ни жёсткое облучение атомных  реакторов не мешают существованию  и развитию микрофлоры. Все живые  существа постоянно взаимодействуют  с микроорганизмами, являясь часто  не только их хранилищами, но и распространителями. Микроорганизмы – аборигены нашей  планеты, активно осваивающие самые  невероятные природные субстраты.

Микрофлора  почвы

Количество бактерий в  почве чрезвычайно велико – сотни  миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно  больше, чем в воде и воздухе. Общее  количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв.

На поверхности почвенных  частиц микроорганизмы располагаются  небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются  в толщах сгустков органического  вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков.

Микрофлора почвы очень  разнообразна. Здесь встречаются  разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора – один из факторов образования почв.

Областью развития микроорганизмов  в почве является зона, примыкающая  к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, - ризосферной  микрофлорой.

Микрофлора  водоёмов

Вода – природная среда, где в большом количестве развиваются  микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие  в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в  поверхностных слоях воды, ближе  к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается.

Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая – 100-300 тыс. и более. Много бактерий в  донном иле, особенно в поверхностном  слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым  предотвращают замор рыбы. В иле  больше спороносных форм, в то время  как в воде преобладают неспороносные.

По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические  формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое  очищение воды.

Микрофлора  воздуха

Микрофлора воздуха менее  многочисленна, чем микрофлора почвы  и воды. Бактерии поднимаются в  воздух с пылью, некоторое время  могут находиться там, а затем  оседают на поверхность земли  и гибнут от недостатка питания или  под действием ультрафиолетовых лучей. Количество микроорганизмов  в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени года, загрязнённостью  пылью и др. каждая пылинка является носителем микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над  промышленными предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха  содержат меньше микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий, которые  более устойчивы, чем другие, к  ультрафиолетовым лучам.

Микрофлора  организма человека

Тело человека, даже полностью  здорового, всегда является носителем  микрофлоры. При соприкосновении  тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные  микроорганизмы, в том числе и  патогенные (палочки столбняка, газовой  гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости  насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками – прекрасная среда для развития микроорганизмов.

Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная масса микроорганизмов  в нём гибнет. Начиная с тонкого  кишечника реакция становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках микрофлора очень  разнообразна. Каждый взрослый человек  выделяет ежедневно с экскрементами  около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном шаре.

Внутренние органы, не соединяющиеся  с внешней средой (мозг, сердце, печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы  попадают только во время болезни.

Бактерии в  круговороте веществ

Микроорганизмы вообще и  бактерии в частности играют большую  роль в биологически важных круговоротах веществ на Земле, осуществляя химические превращения, совершенно недоступные  ни растениям, ни животным. Различные  этапы круговорота элементов  осуществляются организмами разного  типа. Существование каждой отдельной  группы организмов зависит от химического  превращения элементов, осуществляемого  другими группами.