Реклама в портала

Ролята на живите организми от царството на бактериите в биосферата. Резюме: Участие на прокариотите в кръговрата на сярата Основни точки на урока

Въпрос 1. Опишете ролята на прокариотите в биосферата.

Прокариотите извършват фотосинтеза, като по този начин произвеждат кислород в атмосферата. Хемосинтезата е широко разпространена сред прокариотите. В допълнение, сред бактериалните организми има азотфиксиращи форми: това е единствената група живи организми на нашата планета, които могат да абсорбират азот директно от атмосферния въздух и по този начин да включват молекулярния азот в биологичния цикъл.

Прокариотите имат и друга важна функция: връщането на неорганични вещества в околната среда чрез разрушаване (минерализация) на органични съединения.

На нивото на биосферата като цяло прокариотите, предимно бактериите, имат още една много важна функция - концентрация. Те са в състояние активно да извличат определени елементи от околната среда дори при изключително ниски концентрации.

Свойствата и функциите на прокариотите са толкова разнообразни, че по принцип те са способни да създават устойчиво функциониращи екосистеми (т.е. само с тяхно участие).

Въпрос 2. Обяснете каква е опасността от въвеждането на прокариотни лекарства в естествената среда за борба с нейните замърсители.

Един от проблемните въпроси, които възникват при въвеждането на прокариоти в околната среда, е установяването на естеството на връзката между местната микрофлора и въведената. Не може да се изключи възможността за отрицателно въздействие на въведените микроорганизми върху състоянието на естествените биогеоценози в резултат на промяна на съществуващия баланс в микробиоценозите. Това обстоятелство изисква голяма предпазливост и само след внимателно проучване прокариотите да се използват за нуждите на човека и в борбата със замърсителите на биосферата.

Въпрос 3. Известно е, че всички най-разнообразни азотфиксиращи бактерии имат един и същ ензим, нитрогеназа, който катализира свързването на молекулярен азот. Какво значение има този факт в еволюцията на живата природа?

Нитрогеназата е многоизмерен ензим, състоящ се от комплекс от два протеина. Нитрогеназите от различни азотфиксатори се различават до известна степен по своите молекулни тегла и съдържание на метал. Този факт показва единството на произхода на азотфиксиращите бактерии. Нитрогеназата се появява в прародителска форма на бактерии, след което възниква дивергенция, която води до разнообразие от азотфиксиращи бактерии, всяка от които има ген, кодиращ нитрогеназа.

Процесът на фиксиране на азот протича при нормално атмосферно налягане и нормална температура, но изисква много енергия.

За активното функциониране на нитрогеназата са необходими микроаерофилни условия. Молекулярният кислород има увреждащ ефект върху двата нитрогеназни протеина. Микроаерофилните условия в нодула се осигуряват от дифузна бариера за кислорода. Нитрогеназният комплекс, който произвежда амоняк от въздуха, действа много икономично. Ако в местообитанието има достатъчно амониеви или нитратни йони, той спира да работи.

Азотът е абсолютно необходим елемент за всички живи организми. Основният резервоар на азот е земната атмосфера. Еукариотните организми не са в състояние да абсорбират азот директно от атмосферата. Поради наличието на ензима нитрогеназа, който катализира свързването на молекулярен азот, в азотфиксиращите бактерии, растенията, живеещи в симбиоза с тях, могат да получат азот, който е лесно достъпен за тях. Много растения, животни и гъби имат способността да влизат в симбиоза с азотфиксиращите прокариоти.

Въпрос 4. Американският биолог и еколог Бари Комонър в началото на 70-те години. ХХ век изложи тезата като закон на екологията: „Природата знае най-добре“. Обяснете какво имате предвид. Изразете мнението си по този въпрос. Обяснете отговора си с примери.

Бари Комонър казва, че докато няма абсолютно надеждна информация за механизмите и функциите на природата, ние, като човек, който не е запознат със структурата на часовника, но иска да го поправи, лесно нараняваме природните системи, докато се опитваме да ги подобрим. Той призовава за изключително внимание. Преобразуването на природата е икономически катастрофално и опасно за околната среда. В крайна сметка могат да се създадат условия, неподходящи за живот. Съществуващото мнение за подобряване на природата без конкретизиране на екологичния критерий за подобряване е безсмислено.

Съгласен съм с това мнение. Често не се замисляме, че едно проявление на природата е следствие от по-разрушително и вредно явление за биоценозите, биогеоценозите или за биосферата като цяло. „Основното е, че се чувстваме добре“, а природата ще почака. Не можете да го направите по този начин!!!

Можете да дадете примери за отстрел на вълци, които се оказаха „горски санитари“. В Китай бяха унищожени врабчета, които уж унищожават реколтата, но никой не мислеше, че реколтата без птици ще бъде унищожена от вредни насекоми.

Именно появата на еукариотната клетка е едно от най-значимите събития в биологичната еволюция. Разликата между еукариотните и прокариотните организми е по-напреднала система за регулиране на генома. И благодарение на това се увеличи адаптивността на едноклетъчните организми, тяхната способност да се адаптират към променящите се условия на околната среда, без да се въвеждат наследствени промени в генома. Благодарение на способността за адаптация еукариотите успяха да станат многоклетъчни - в многоклетъчния организъм клетките с един и същи геном в зависимост от условията образуват тъкани, които са напълно различни по морфология и функция.

Тази ароморфоза е настъпила на границата на архея и протерозоя (преди 2,6 - 2,7 милиарда години), което се определя от биомаркери - остатъци от стероидни съединения, характерни само за еукариотните клетки. Появата на еукариотите съвпада с кислородната революция.

Общоприето е, че еукариотите са възникнали в резултат на симбиозата на няколко разновидности на прокариотите. Очевидно митохондриите са произлезли от алфа-протеобактерии (аеробни еубактерии), пластидите от цианобактерии и цитоплазмата от неизвестна архебактерия. Все още няма общоприета теория за произхода на ядрото, цитоскелета и флагелата. Хипотезите за произхода на живота на Земята не изясниха въпроса за произхода на клетката. Ако за произхода на прокариотите практически няма хипотези, които правдоподобно да описват тяхното възникване, то по отношение на произхода на еукариотните клетки има няколко гледни точки.

Основни хипотези за произхода на еукариотите:

1. Симбиотична хипотезасе основава на две концепции. Според първата от тези концепции най-основното разграничение в живата природа е разграничението между бактерии и организми, състоящи се от клетки с истински ядра - протисти, животни, гъби и растения. Втората концепция е, че произходът на някои части от еукариотните клетки е еволюцията на симбиозите - образуването на постоянни асоциации между организми от различни видове. Предполага се, че три класа органели - митохондрии, реснички и фотосинтетични пластиди - произлизат от свободно живеещи бактерии, които в резултат на симбиоза са включени в прокариотни клетки гостоприемници. Тази теория разчита до голяма степен на неодарвинистките идеи, разработени от генетици, еколози и цитолози, които свързват менделската генетика с идеята на Дарвин за естествения подбор. Той също така се основава на молекулярната биология, особено на данните за структурата на протеините и аминокиселинните последователности, на микропалеонтологията, която изучава най-ранните следи от живот на Земята, и на физиката и химията на атмосферата, тъй като тези науки се занимават с газове от биологичен произход.

2.Хипотеза за инвагинацияказва, че прародителската форма на еукариотната клетка е аеробен прокариот. Вътре имаше няколко генома, прикрепени към клетъчната мембрана. Корпускуларните органели и ядрото възникват чрез инвагинация и свързване на участъци от черупката, последвано от функционална специализация в ядрото, митохондриите и хлоропластите. След това в процеса на еволюцията ядреният геном се усложнява и се появява система от цитоплазмени мембрани. Тази хипотеза обяснява наличието на ядро, митохондрии, хлоропласти и две мембрани в черупките. Но среща трудности при обяснението на разликите в детайлите на процеса на биосинтеза на протеини в корпускулярните органели и цитоплазмата на еукариотната клетка. В митохондриите и хлоропластите този процес точно съответства на този в съвременните прокариотни клетки.

Произходът на еукариотната клетка според симбиотичната (I) и инвагинационната (II) хипотеза:

1 - анаеробен прокариот (клетка гостоприемник), 2 - прокариоти с митохондрии, 3 - синьо-зелени водорасли (предполагаем хлоропласт), 4 - бактерия, подобна на сирохета (предполагаем флагел), 5 - примитивен еукариот с флагел, 6 - растителна клетка, 7 - животинска клетка с камшик, 8 - аеробен прокариот (предполагаема митохондрия), 9 - аеробен прокариот (прогениторна клетка според хипотеза II), 10 - инвагинации на клетъчната мембрана, които дават началото на ядрото и митохондриите, 11 - примитивни еукариот 12 - инвагинация на клетъчната мембрана, която даде хлоропласт, 13 - растителна клетка; a - ДНК на прокариотна клетка, b - митохондрия, c - ядро ​​на еукариотна клетка, d - флагел, e - хлоропласт.

Наличните данни все още не са достатъчни, за да се даде предимство на една от хипотезите или да се разработи нова, която да отговаря на повечето учени, но през последните години беше възможно убедително да се докаже симбиогенетичната теория за произхода на еукариотната клетка.

Еволюционните възможности на еукариотните клетки са по-високи от тези на прокариотните клетки. Водещата роля тук принадлежи на ядрения геном на еукариотите, който е по-голям от генома на прокариотите. Важни разлики са диплоидността на еукариотните клетки поради наличието на два комплекта гени в ядрата, както и многократното повторение на някои гени.

Механизмът за регулиране на клетъчната активност става все по-сложен, което се проявява в увеличаване на относителния брой регулаторни гени и замяна на кръгови „голи“ ДНК молекули на прокариоти с хромозоми, в които ДНК е свързана с протеини.

Аеробното дишане също служи като предпоставка за развитието на многоклетъчни форми. Самите еукариотни клетки се появяват на Земята, след като концентрацията на O 2 в атмосферата достигна 1% (точка на Пастьор). И тази концентрация е необходимо условие за аеробно дишане.

Известно е, че всяка еукариотна клетка съдържа геноми с различен произход: в животинските и гъбичните клетки това са геномите на ядрото и митохондриите, а в растителните клетки това са и пластидните геноми. Малка кръгова ДНК също се съдържа в базалното тяло на камшичетата на еукариотните клетки.

Според метода на молекулярния часовник еукариотите са възникнали едновременно с прокариотите. Но е ясно, че през значителна част от историята на Земята прокариотите са доминирали на нея. Първите клетки, които отговарят на еукариотните размери (акритархи), са на 3 милиарда години, но природата им все още не е ясна. Почти сигурните останки от еукариоти са на около 2 милиарда години. И едва след кислородната революция на повърхността на планетата (преди около 1 милиард години) се развиват благоприятни условия за еукариотите.

Най-вероятно основният предшественик на еукариотните клетки са били архебактерии, които са преминали към хранене чрез поглъщане на хранителни частици. Промяната във формата на клетката, необходима за такова поглъщане, се осигурява от цитоскелет, състоящ се от актин и миозин. Наследственият апарат на такава клетка се е преместил по-дълбоко от променящата се повърхност, като същевременно е запазил връзката си с мембраната. И това вече предизвика появата на ядрена обвивка с ядрени пори.

Бактериите, абсорбирани от клетката гостоприемник, могат да продължат да съществуват вътре в нея. Така предците на митохондриите станаха група фотосинтезиращи бактерии - лилави алфапротеобактерии. Вътре в клетката гостоприемник те са загубили способността си да фотосинтезират и са поели окисляването на органични вещества. Благодарение на тях еукариотните клетки станаха аеробни. Симбиозата с други фотосинтетични клетки кара растителните клетки да придобиват пластиди. Възможно е камшичетата на еукариотните клетки да са резултат от симбиоза между клетки гостоприемници и бактерии, които са способни на гърчещи се движения.

Наследственият апарат на еукариотните клетки е устроен приблизително по същия начин като този на прокариотите. Но поради необходимостта да се контролира по-голяма и по-сложна клетка, организацията на хромозомите по-късно се променя и ДНК се свързва с хистонови протеини. Прокариотната организация се запазва в геномите на вътреклетъчните симбионти.

В резултат на различни актове на симбиогенеза възникват различни групи еукариотни организми: еукариотна клетка + цианобактерия = червени водорасли; еукариотна клетка + прохлорофитна бактерия = зелени водорасли. Дори хлоропластите на златните, диатомовите, кафявите и криптомонадните водорасли са възникнали в резултат на две последователни симбиози, както се вижда от наличието на 4 мембрани.

Появата на еукариотите е ограничена до период от историята на биосферата, когато условията са особено нестабилни и непредсказуеми, когато адаптивната стратегия на прокариотите (бърза мутация, хоризонтален обмен на гени и селекция на устойчиви клонове) се оказва твърде разточителна и не достатъчно ефективен. В такава ситуация една фундаментално по-универсална и икономична адаптивна стратегия, основана на развитието на целесъобразна променливост на модификация, може да спечели голямо предимство.

Може би образуването на еукариоти и развитието на техния полов процес направиха структурата на променливостта и биоразнообразието по-дискретна и „контролируема“ - това трябваше да доведе до ускорен растеж на биоразнообразието и до увеличаване на еволюционната пластичност и екологична толерантност на видовете , съобщества и биота като цяло.

Появата на еукариоти може с право да се нарече "стандартна" ароморфоза. Това събитие ясно демонстрира общата прогресивна посока на биологичната еволюция. Прогресът се изразява не само в усложняване на организацията, разширяване на общата адаптивна зона на живот, нарастване на биомасата и числеността, увеличаване на автономността на организмите, но и в повишаване на стабилността на живите системи.

Използвайки примера на еукариотите, ясно се показва, че появата на нови форми на живот трябва да се разглежда не като резултат от еволюцията на някои отделни филетични линии или клади, а като естествен и неизбежен ефект от развитието на системи от по-висок ред - общности, биосферата и евентуално цялата планета като цяло.

Използвани източници:

А. В. Марков, А. М. Куликов. Произходът на еукариотите в резултат на интеграционни процеси в микробната общност

А. В. Марков. Проблемът за произхода на еукариотите

М. В. Ларина. Хипотези за произхода на еукариотните клетки. Появата на многоклетъчност

Тип урок -комбинирани

Методи:частично търсеща, проблемна, обяснителна и илюстративна.

Мишена:

Формиране у учениците на цялостна система от знания за живата природа, нейната системна организация и еволюция;

Способност за даване на обоснована оценка на нова информация по биологични въпроси;

Възпитаване на гражданска отговорност, самостоятелност, инициативност

Задачи:

Образователни: за биологичните системи (клетка, организъм, вид, екосистема); история на развитието на съвременните представи за живата природа; изключителни открития в биологичната наука; ролята на биологичната наука за формирането на съвременната природонаучна картина на света; методи на научно познание;

развитиетворчески способности в процеса на изучаване на изключителните постижения на биологията, които са влезли в универсалната човешка култура; сложни и противоречиви начини за развитие на съвременни научни възгледи, идеи, теории, концепции, различни хипотези (за същността и произхода на живота, човека) в процеса на работа с различни източници на информация;

Възпитаниеубеденост във възможността за познаване на живата природа, необходимостта от грижа за околната среда и собственото здраве; уважение към мнението на опонента при обсъждане на биологични проблеми

Лични резултати от изучаване на биология:

1. възпитание на руска гражданска идентичност: патриотизъм, любов и уважение към отечеството, чувство на гордост за родината; осъзнаване на своята етническа принадлежност; усвояване на хуманистични и традиционни ценности на многонационалното руско общество; възпитаване на чувство за отговорност и дълг към Родината;

2. формирането на отговорно отношение към ученето, готовността и способността на учениците за саморазвитие и самообразование въз основа на мотивация за учене и знания, съзнателен избор и изграждане на по-нататъшна индивидуална образователна траектория въз основа на ориентация в света на професии и професионални предпочитания с отчитане на устойчиви познавателни интереси;

Метапредметни резултати от обучението по биология:

1. способността самостоятелно да определя целите на своето обучение, да поставя и формулира нови цели за себе си в учебната и познавателната дейност, да развива мотивите и интересите на своята познавателна дейност;

2. владеене на компонентите на изследователската и проектната дейност, включително способността да виждате проблем, да задавате въпроси, да излагате хипотези;

3. способност за работа с различни източници на биологична информация: намиране на биологична информация в различни източници (текст от учебници, научно-популярна литература, биологични речници и справочници), анализиране и

оценява информацията;

Когнитивна: идентифициране на съществени характеристики на биологични обекти и процеси; предоставяне на доказателства (аргументация) за връзката между хората и бозайниците; взаимоотношения между хората и околната среда; зависимост на човешкото здраве от състоянието на околната среда; необходимостта от опазване на околната среда; овладяване на методите на биологичната наука: наблюдение и описание на биологични обекти и процеси; поставяне на биологични експерименти и обяснение на резултатите от тях.

Регулаторни:способността за самостоятелно планиране на начини за постигане на цели, включително алтернативни, за съзнателен избор на най-ефективните начини за решаване на образователни и когнитивни проблеми; способност за организиране на образователно сътрудничество и съвместни дейности с учителя и връстниците; работа индивидуално и в група: намиране на общо решение и разрешаване на конфликти въз основа на координиране на позициите и отчитане на интересите; формиране и развитие на компетентност в областта на използването на информационни и комуникационни технологии (наричани по-нататък ИКТ компетентности).

Комуникативен:формирането на комуникативна компетентност в общуването и сътрудничеството с връстници, разбиране на характеристиките на половата социализация в юношеството, социално полезни, образователни и изследователски, творчески и други видове дейности.

Технологии : Опазване на здравето, проблемно, развиващо обучение, групови дейности

Техники:анализ, синтез, извод, превод на информация от един вид в друг, обобщение.

Хостинг на презентации

"Участие на прокариотите в цикъла на сярата"

Нижни Новгород 2010 г

Въведение

Прокариотите (бактерии и археи) са от изключително значение за живота на Земята - те играят основна роля в цикличните трансформации на основните елементи, необходими за живота (въглерод, кислород, азот, сяра, фосфор). Цикличните трансформации на елементите, от които са изградени живите организми, представляват колективно кръговрата на веществата. Вече е безспорно доказано, че определени етапи от циклите се извършват изключително от прокариоти, осигурявайки затварянето на циклите на основните биогенни елементи в биосферата. Според V.I. Вернадски (един от основателите на учението за биосферата), „биосферата представлява обвивката на живота - областта на съществуване на живата материя“.

1. Цикъл на сярата

Сярата е биогенен елемент, необходим компонент на живата материя. Намира се в протеините като част от аминокиселините; съдържанието на сяра в протеините е 0,8–2,4%. Сярата също е включена във витамини, гликозиди, коензими и се намира в растителни етерични масла. Сярата присъства в изобилие в земната кора, въглища, шисти, нефт и природни газове.

Сярата е елемент с променлива валентност. Това гарантира неговата мобилност. Под формата на неорганични съединения сярата се среща в окислена форма (сулфати, политионати), редуцирана форма (сулфиди) и молекулярна, като извършва активен редокс цикъл. В природата сярата претърпява различни химични и биологични трансформации, преминавайки от неорганични съединения към органични и обратно, променяйки валентността си от –2 до +6.

Цикличните трансформации на серните съединения се наричат ​​цикъл на сярата.

Цикълът на трансформация на сярата включва окислителни и редукционни единици, както и трансформацията на сярата без промяна на нейната валентност. Окислителната част от кръговрата на сярата включва етапи, които могат да настъпят в зависимост от условията, както чисто химически, така и с участието на организми, главно микроорганизми (това са организми, които не се виждат с просто око, включително микроскопични еукариоти: гъби, водорасли, протозои и всички прокариоти). Редукционната част от цикъла на сярата се извършва предимно биологично с доминиращата роля на прокариотите в този процес, докато серният атом се възстановява от състояние на максимално окисление (+ 6) до максимално редуциране (–2). Този процес обаче не винаги се случва докрай и в околната среда често се срещат непълно окислени продукти: елементарна сяра, политионати, сулфит.


По този начин цикълът на сярата, както и цикълът на веществата, е невъзможен без участието на прокариоти, които осигуряват затварянето на цикъла.

2. Възстановителен клон

Сулфатна асимилация.

Сулфатът се използва като източник на сяра от почти всички растения и микроорганизми. Сулфатът се редуцира по време на асимилацията, така че сярата може да бъде включена в органични съединения, тъй като в живите организми сярата се среща почти изключително в редуцирана форма под формата на сулфхидрилни (-SH) или дисулфидни (-S-S-) групи. И в двата случая се усвояват само толкова хранителни вещества, съдържащи сяра, колкото са необходими за растежа на организма, така че в околната среда не се освобождават редуцирани продукти от метаболизма на сярата. В резултат на биосинтезата сярата се включва главно в състава на сяросъдържащи аминокиселини: цистин, цистеин, метионин. Включването на сулфати в състава на сяросъдържащи органични вещества се нарича асимилираща сулфатна редукция.

Превръщане на органични серни съединения до образуване на H2S.

Сярата е достъпна за живите организми главно под формата на разтворими сулфати или редуцирани органични серни съединения.

По време на минерализацията на органични съединения, съдържащи сяра, сярата се освобождава в неорганична редуцирана форма под формата на H 2 S. Сапрофитни микроорганизми, способни на амонификация, участват в освобождаването на сяра от органични съединения, съдържащи сяра (метаболитни продукти на живи същества мъртви растителни и животински останки). По време на амонификацията съдържащите сяра протеини и нуклеинови киселини се разлагат, за да образуват CO 2, урея, органични киселини, амини и, което е важно за цикъла на сярата, H 2 S и меркаптани (тиоалкохоли). Меркаптаните също се окисляват при аеробни условия, освобождавайки H2S.

Разрушаването на протеините от микроорганизми започва като извънклетъчен процес. В този случай протеините се хидролизират от протолитични екзоензими в по-малки молекули, които могат да проникнат в клетката и се разграждат от вътреклетъчни протеази до аминокиселини, които могат да претърпят по-нататъшно разцепване.

Директно образуване на H 2 S от сулфат и елементарна сяра.

Образуването на сероводород в биосферата се свързва главно с дейността на сулфатредуциращите бактерии, които са от голямо значение за глобалния цикъл на сярата. Сулфат-редуциращите бактерии извършват дисимилираща сулфатна редукция, която е анаеробно дишане, при което сулфатът служи като краен акцептор на електрони (вместо кислород) по време на окисляването на органични вещества или молекулярен водород. Следователно енергийният тип метаболизъм в сулфат-редуциращите бактерии често се нарича сулфатно дишане. Схематично процесът на сулфатна редукция по време на дисимилаторна сулфатна редукция може да бъде представен по следния начин: SO 4 2- →SO 3 2- →S 3 O 6 2- →S 2 O 3 2- →S 2-.

Ензимната система, участваща в редуцирането на сулфат, се състои от две части: първата редуцира сулфата до сулфит в АТФ-зависим процес, а втората редуцира сулфита до сулфид чрез трансфер на шест електрона. Именно последната реакция, тъй като е дисимилаторна, снабдява клетката с енергия.

Сулфат-редуциращите бактерии са предимно облигатни анаеробни бактерии. Геохимичната роля на сулфат-редуциращите бактерии е изключително голяма, тъй като благодарение на тяхната активност инертното съединение сулфат в анаеробната зона е включено в голям мащаб в биологичния цикъл на сярата.

Активността на сулфат-редуциращите бактерии е особено забележима в тинята на дъното на езера и потоци, в блатата и по морския бряг. Тъй като концентрацията на сулфат в морската вода е относително висока, намаляването на сулфата е важен фактор за минерализацията на органичната материя в морските плитчини. Признаци за такава минерализация са миризмата на H 2 S и катраненочерната тиня, в която протича този процес. Черният цвят на утайката се дължи на наличието в нея на големи количества двувалентно желязо сулфид. Някои крайбрежни райони, където натрупването на органична материя води до особено интензивно намаляване на сулфатите, са практически безжизнени поради токсичните ефекти на H 2 S.

Сулфат-редуциращите бактерии са физиологична, а не систематична група, тъй като включват бактерии от различни таксономични групи, които са способни да извършват един физиологичен процес - анаеробно дишане в присъствието на сулфати, например бактерии от родовете Desulfovibrio (vibrios), Desulfotomaculum (спорообразуващи пръчки). Археи също са открити сред сулфат-редуциращи организми. Бактериите, намаляващи сулфатите, могат да растат чрез редуциране не само на сулфати, но и на тиосулфат, сулфит, елементарна сяра и други серни съединения.

За някои сулфат-редуциращи бактерии е показан предимно нов тип метаболизъм на сярата. Тези бактерии са в състояние да получават енергия, когато растат върху органични субстрати не само поради намаляване на сулфата, но и в резултат на диспропорциониране на тиосулфат, сулфит, дитионит с образуването на сулфат и сулфид.

Обща реакция на диспропорциониране на тиосулфат:

S 2 O 3 2- + H 2 0 → SO 4 2- + HS - + H +

Go = – 21,9 kJ/mol S 2 O 3 2-

Реакция на общо сулфитно диспропорциониране:

4SO 3 2- + H + → 3SO 4 2- + HS -

Go = – 58,9 kJ/molSO 3 2-

Установено е, че бактериите, които диспропорционират тиосулфата, са широко разпространени в морските седименти.

Сероводородът може да се образува и при редукция на елементарна сяра. Днес са известни два механизма за образуване на сероводород от молекулярна сяра. В първия случай бактериите и археите използват молекулярна сяра като акцептор на електрони по време на анаеробно дишане (дисимилираща редукция на сярата), по време на което се синтезира АТФ. Дисимилативната редукция на сярата е ензимен процес, който се извършва както от мезофилни, така и от термофилни прокариоти. Във втория случай микроорганизмите (дрожди и прокариоти) използват сярата само за изхвърляне на електрони, освободени по време на ферментацията (улеснена ферментация). Това е безполезен (празен) разряд на електрони, който не е придружен от синтез на АТФ.

Редукцията на молекулярната сяра в сероводород е от голямо значение специално за термофилните микроорганизми, живеещи в хидротерми, където елементарната сяра е една от най-значимите форми на сяра и където серните съединения първоначално са с вулканичен произход. Хидротермалните биоценози са уникални съобщества от живи същества. Развивайки се при високи температури (от 45–50 до 100°C), те се образуват главно от прокариоти – бактерии и археи. По-голямата част от микроорганизмите, които съставляват микробните общности на хидротермалните течности, не се срещат другаде. Микробните общности на хидротермите се считат за най-древните биоценози на Земята.

3. Окислителен клон

Тази част от цикъла на сярата може да се състои изцяло от реакции на неорганични серни съединения: S 2- → nS 2- → S 0 → S 2 O 3 2- → SO 3 2- → SO 4 2- и също така включва реакции на органични форми. Серният атом на органичните сулфиди обикновено се окислява след разделяне под формата на S2 - по неорганичен път, въпреки че е възможен и чисто органичен път на окисление, когато серният атом се окислява, докато е част от органични съединения, например цистеин → цистин. Повечето окислителни реакции на серни съединения могат да възникнат без участието на микроорганизми в присъствието на силни окислители (H 2 O 2, O 3, кислородни радикали), но микробното окисление е много по-ефективно, особено при ниски концентрации на реагента.

Сред микроорганизмите, способни да окисляват серни съединения, се разграничават три основни физиологични групи: анаеробни фототрофни бактерии, аеробни и факултативни анаеробни литотрофни бактерии, археи и различни хетеротрофни микроорганизми.

Анаеробни фототрофни бактерии.

Това е специфична група бактерии, която извършва анаеробна (аноксигенна) фотосинтеза, като използва различни редуцирани серни съединения като донори на електрони вместо H 2 O, както се случва при аеробната (кислородна) фотосинтеза в растенията и цианобактериите. Най-често срещаните продукти на окисление на редуцирани серни съединения са SO 4 2- и S 0 , като последният може да се натрупва вътреклетъчно в някои фототрофни бактерии.

Систематично фототрофните бактерии се разделят на няколко групи: серни и несерни лилави и зелени бактерии, хелиобактерии, еритробактерии (фиг. 123). Фототрофните бактерии са пигментирани и могат да бъдат оцветени в кафяво, зелено или лилаво. Фототрофните бактерии, които извършват аноксигенна фотосинтеза, съдържат бактериохлорофил и каротеноиди, които им придават подходящия цвят. Тези бактерии доминират сулфидното окисляване в анаеробния воден стълб на плитки водни тела, като езера, езера, лагуни и минерални извори, където прониква достатъчно светлина. Изключение правят еритробактериите, които са облигатни аероби и извършват аноксигенна фотосинтеза при аеробни условия.


Литотрофни сероокисляващи бактерии и археи. Серни бактерии и тионни бактерии.

Някои прокариоти са способни на литотрофен растеж в присъствието на редуцирани серни съединения. По време на литотрофния растеж редуцираните серни съединения или други редуцирани неорганични съединения (NH 3, H 2, CO, Fe 2+) са донори на електрони в енергийния метаболизъм, т.е. когато се окисляват във веригата за транспортиране на електрони, се синтезира АТФ. Само прокариотите са способни на литотрофен растеж. В литотрофните прокариоти, зависими от сяра, реакциите на окисление на редуцирани серни съединения служат като източник на енергия. Окислителните реакции се осъществяват с участието на специфични ензимни системи. Окисляването на различни серни съединения и самата сяра от литотрофни прокариоти обикновено води до образуването на сулфати. Този процес обаче не винаги се случва докрай и често в средата се откриват непълно окислени продукти (S 0, SO 3 2-, S 2 O 3 2-, S 4 O 6 2-). Групата на литотрофните сярозависими прокариоти включва главно представители на тионни бактерии, изключително термоацидофилни сярозависими археи, водородни бактерии, безцветни серни бактерии, както и някои представители на лилави бактерии, способни на литотрофен растеж поради окисляването на серни съединения в тъмно.

Отдавна е известно, че в сероводородни извори и други водни тела, съдържащи сероводород, като правило се откриват голям брой неоцветени микроорганизми, в клетките на които се откриват капки сяра. На места, където концентрацията на сероводород е сравнително ниска (по-малко от 50 mg/l), такива микроорганизми, наречени безцветни серни бактерии, често образуват масови натрупвания под формата на филми, бели отлагания и други замърсявания. С.Н. Winogradsky (1887) доказва, че сярата, отложена в клетките на един от типичните представители на серните бактерии, а именно Beggiatoa, се образува от сероводород и може да бъде окислена от този микроорганизъм до сярна киселина. Систематично безцветните серни бактерии са очевидно хетерогенна група и не всички описани видове и дори родове могат да се считат за твърдо установени. По отношение на морфологията, естеството на движение, метода на възпроизвеждане и клетъчната структура, редица представители на безцветни серни бактерии, както многоклетъчни, така и едноклетъчни (Beggiatoa, Thiothrix, Thiospirillopsis, Thioploca, Achromatium) показват голямо сходство със синьо-зелените водорасли. Някои изследователи, по-специално Pringsheim (1963), разглеждат тези микроорганизми като техни безцветни варианти. Синьо-зелените водорасли Oscillatoria, Thiothrix - Rivularia, Thiospirillopsis - Spirulina се считат за аналози на Beggiatoa, а Achromatium е подобен на Synechococcus. Тъй като синьо-зелените водорасли вече са класифицирани като бактерии, тяхната връзка с безцветните серни бактерии става все по-оправдана. Трябва също да се отбележи, че е доказано, че някои синьо-зелени водорасли отлагат сяра в клетките си, въпреки че тази характеристика сама по себе си не предоставя много за таксономията на микроорганизмите. Микроорганизмите, принадлежащи към безцветните серни бактерии, се срещат както в сладки, така и в солени водоеми. Някои от тях се развиват добре при ниски температури, други (Thiospirillum pistiense) се развиват в термални серни извори при температури над 50°C. Подвижните форми имат хемотаксис и могат да се придвижват до места с оптимално съдържание на кислород и сероводород.

Повечето от така наречените тионни бактерии са типични хемоавтотрофи, т.е. те използват редуцирани серни съединения не само като Н-донори, но и като енергийни източници и могат да растат върху чисто минерална среда, асимилирайки въглероден диоксид. Такива бактерии са изолирани за първи път от водата на Неаполския залив (Nathanson, 1902) и са получили името Thiobacillus (Beijerinck, 1904). Към днешна дата са описани много видове автотрофни тиобацили, изолирани от различни водни тела, почва, както и от отлагания на сяра и различни метали.

Въз основа на някои, главно физиологични характеристики (способността да окислява различни серни съединения и други неорганични субстрати, да използва органични съединения, да расте в зависимост от стойностите на pH на околната среда, отношението към кислорода и др.), Значителен брой тиобацили разграничават се видове. От тях следните се считат за най-твърдо установени: Thiobacillus thioparus, T. thiooxidans, T. denitrificans, T. thiocyanoxidans, T. neapolitanus, T. intermedius, T. novellus, T. ferrooxidanas. Всички тези микроорганизми растат върху прости минерални среди, където често се добавя бикарбонат. Източникът на азот обикновено са амониеви соли. Някои видове и щамове са способни да асимилират нитрати като източници на азот. Показана е и способността на отделни представители да използват урея и аминокиселини. Щамове, изолирани от солени водоеми, изискват патриев хлорид за растеж и са известни халофили, които могат да растат в наситен разтвор на NaCl. Оптималната температура за растеж на повечето изолирани микроорганизми от род Thiobacillus е около 30°C. Но при естествени условия те се намират в термални извори при температури до 55°C. Наскоро беше изолирана чиста култура от Thiobacillus sp. с оптимум за растеж при 50°C.

Във връзка с киселинността на околната среда тиобацилите се разделят на организми, които растат добре при неутрална или дори алкална реакция, и видове, които са ацидофилни, т.е. развива се в кисела среда и издържа на много ниски стойности на pH.

Първата група включва видове като: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. thiocyanoxidans, T. neapolitanus. За тези микроорганизми оптималната стойност на рН е в рамките на 6,0–9,0, а зоната на стойностите на рН, при които е възможен техният растеж, е от 3,0–6,0 до 10,0–11,0, а за различните видове и щамове оптималните стойности на рН и. областта на активна киселинност, в която се наблюдава растежът им, може да се различава значително.

Втората група включва T. thiooxidans, T. ferroxidans, T. intermedius. За тези микроорганизми оптималната стойност на pH е 2,0–4,0, а растежът е възможен при pH от 0,5–2,0 до 5,0–7,0. Първите два вида са най-ацидофилните организми. И двете бактерии растат при стойности на pH не повече от 5,0. В същото време е доказано, че T. thiooxidans остава жизнеспособен при рН стойност, близка до 0, което съответства на 1,0 n. разтвор на сярна киселина. Това е може би най-ацидофилният микроорганизъм, известен на изследователите.

Повечето тионни бактерии растат само в присъствието на кислород, въпреки че растежът на някои представители е възможен при ниски нива на кислород. Но факултативните анаероби също са известни. Те включват T. denitrificans. В аеробни условия тези бактерии извършват окислителни процеси с участието на молекулярен кислород, в анаеробни условия преминават към денитрификация и редуцират нитратите до молекулярен азот. Интересно е да се отбележи, че T. denitrificans, подобно на Paracoccus denitrificans, не може да асимилира нитрати като източник на азот и изисква амоний като източник на азот за растеж.

Тионните бактерии са способни да окисляват серни съединения като сероводород, сулфиди, сулфит, тиосулфат, тетратионат, тиоцианат (роданид), дитионит, както и молекулярна сяра, образувайки сулфати при пълно окисление. Въпреки това, способностите на отделните видове не са напълно еднакви. В допълнение, не винаги е лесно да се определи кои серни съединения се окисляват биологично, тъй като много от тях са нестабилни при ниско рН и могат също да бъдат окислени от атмосферния кислород.

Всички видове, които растат в неутрална и алкална среда, като правило окисляват сероводород, сяра и тиосулфат. Характерна особеност на T. thiocyanoxidans е способността да окислява тиоцианида. На тази основа той се отличава като отделен вид, тъй като по други характеристики този микроорганизъм е подобен на T. thioparus. Ацидофилна бактерия като T. thiooxidans обикновено се култивира върху среда, съдържаща молекулярна сяра. Въпросът за способността на този вид да окислява сероводород и други серни съединения не е напълно разрешен, тъй като тези съединения са нестабилни при киселинни условия. По отношение на T. ferroxidans има доказателства, че тези бактерии могат да окисляват както молекулярната сяра, така и нейните различни съединения, а именно: сероводород, тиосулфат, дитионит, тетрасулфат, сулфит. В допълнение, T. ferroxidans участва активно в окисляването на сулфиди на тежки метали, които са неразтворими във вода. Те включват минерали като пирит (FeS2), халкопирит (CuFeS2), стибнит (SbS2), халкоцит (Cu2S), кавелит (CuS), пиротит (FeS), реалгар (AsS), виоларит (Ni2FeS4) и др. Останалите тионни бактериите или нямат тази способност, или тя е слабо изразена.

Отличително свойство на T. ferroxidans е и способността да окислява двувалентното желязо в железен оксид. На тази основа тези бактерии могат да се разглеждат като железни бактерии, въпреки че принадлежат към род Thiobacillus.

Както беше отбелязано по-горе, крайният продукт от окисляването на молекулярната сяра и нейните различни съединения от тионови бактерии е сулфат. Ако процесът върви по този начин, т.е. настъпва пълно окисляване на оригиналния субстрат, тогава неговите резултати са отразени в следните уравнения. По време на окисляването на сероводород:

По време на окисляването на сярата и тиосулфата при аеробни условия:


По време на окисляването на сяра и тиосулфат от T. denitrificans при анаеробни условия чрез използване на нитрати:

По време на окислението на T. thiocyanoxidans тиоцианид:

Окислението обаче често не протича докрай и в средата се откриват различни ненапълно окислени продукти. Така по време на окисляването на сероводород понякога се откриват и молекулярна сяра; При окисляването на молекулярната сяра от бактерии се наблюдава появата на тиосулфат и политионати. Окисляването на тиосулфата също често се придружава от образуването на политионати (тритионат, тетратионат, пейтатиопат) и елементарна сяра. Сулфитът също е един от непълно окислените продукти. Но не всички от тези съединения могат да бъдат резултат от ензимни процеси и всъщност да се отнасят за междинни продукти от бактериалното окисление на оригиналния субстрат. Някои от тях очевидно се образуват чисто химически или в резултат на странични биологични реакции. Следователно изясняването на пътищата на окисляване на различни серни съединения от микроорганизми е много трудно и не всички реакции все още са изяснени.

Все още има много малко данни за естеството на първия етап на сулфидна трансформация и не е напълно ясно дали сярата е пряк или страничен продукт от нейното окисление.

Въпросът за използването на елементарна сяра от бактерии е много сложен и има два аспекта: как микроорганизмите действат върху това водонеразтворимо вещество и как протича самият процес на окисление.

Има две гледни точки относно механизма на действие на тиобацилуса върху сярата.

1. За да се окисли сярата от бактерии, тя трябва да е в пряк контакт с клетките.

2. Сярата се използва от бактериите след предварително разтваряне във вещества с липиден характер, които отделят в околната среда.

Когато T. thiooxidans расте в среда с молекулярна сяра, в средата се откриват фосфолипиди. Според някои данни това е фосфатидилинозитол, според други - малко по-различни съединения (фосфатидил-N-метилетанол, фосфатидилглицерол, дифосфатидилглицерол), а натрупването им съвпада с фазата на активен растеж на културите. Второто предположение обаче не може да се счита за доказано. Вероятно за окисляването на сярата от бактерии е важен както нейният контакт с клетките, така и отделянето на определени вещества, които "намокрят" сярата.

Що се отнася до пътя на окисление на сярата, данните също са доста противоречиви. Следната схема се счита за най-вероятна, която също е приемлива за окисляване на сероводород:


Предполага се, че X е или производно на глутатион, с което реагира сероводородът или сярата, или тиол, свързан с клетъчните мембрани. Образуването на тиосулфат се счита за неензимен процес, който може да се случи без участието на бактерии.

Голям брой изследвания са посветени на изследването на окисляването на тиосулфат. Данните от експерименти, проведени с цели клетки и безклетъчни препарати от различни видове тиобацили, показват, че началният етап на превръщане на тиосулфат може да бъде свързан или с неговата редукция под действието на редуктаза с образуването на сероводород и сулфит:

Или с разделяне на елементарна сяра и сулфит:

или накрая с окисление до тетратионат и след това превръщане в тритионат и сулфит:

Предполага се обаче, че последният път за преобразуване на тиосулфата не е основният. Що се отнася до разграждането на тиосулфат до образуване на сулфит, такава реакция може да се извърши от родоназа, която свързва сярата под формата на тиоцианат:


Той е широко разпространен не само в тионните и други бактерии, но и в животните. Въпреки това, дали този ензим участва в метаболизма на тиосулфат от тионни бактерии, не е окончателно установено.

Пътят на сулфитно окисляване е много по-проучен. Работата, извършена в лабораторията на Peck с T. thioparus, показа, че сулфитът реагира с аденозин монофосфат (AMP), което води до образуването на съединение, наречено аденил сулфат или аденозин фосфосулфат (APS). На следващия етап възниква реакция между API и неорганичен фосфат (Pn) с образуването на аденозин дифосфат (ADP) и освобождаване на свободен сулфат:

В резултат на действието на ензима аденилат киназа, две молекули ADP могат да бъдат превърнати в ATP и отново да произведат AMP:

По този начин този път на сулфитно окисление е свързан с производството на енергия (АТФ) в резултат на така нареченото субстратно фосфорилиране. В същото време процесът на сулфитно окисление може да бъде придружен от прехвърляне на електрони към дихателната верига, чието функциониране е свързано със синтеза на АТФ.

За редица тионни бактерии, включително T. thioparus, е доказано, че сулфитното окисляване е възможно без образуване на APS, в резултат на действието на сулфит-окисляващ ензим, който осигурява прехвърлянето на електрони към дихателната верига на ниво цитохроми:

Възможно е един и същ организъм да има различни пътища за окисление на сулфит и други серни съединения, а значението на едното или другото зависи от условията на околната среда и други фактори. Въз основа на наличните към момента данни, окисляването на различни серни съединения от тионни бактерии може да бъде представено чрез следната обобщена схема.

Що се отнася до компонентите на електронните транспортни системи на тионните бактерии, тогава, според всички данни, техният състав в различни видове винаги включва цитохроми от тип c. Открити са и цитохроми от тип b и, очевидно, неговият вариант, наречен цитохром o, а в някои представители - цитохроми a и d. В допълнение, системата за транспортиране на електрони очевидно включва флавопротеини и убихинони. Но дихателната верига на тионните бактерии, която осигурява прехвърлянето на електрони към кислород, като нитрифициращи бактерии, е сравнително къса, тъй като окислените субстрати имат доста висок редокс потенциал. Следователно за тези микроорганизми енергийно зависимият електронен трансфер срещу термодинамичния градиент (обратен електронен трансфер) е важен. Осигурява образуването на намален NAD, необходим за усвояването на въглеродния диоксид и други градивни процеси. Трябва също така да се отбележи, че компонентите на електронните транспортни системи и пътищата за пренос на електрони могат не само да имат различни разлики в различните представители на тиопните бактерии, но и да зависят от естеството на окисления субстрат. Следователно обобщената диаграма (фиг. 140) е много условна.

Според изчисления на различни автори ефективността на използването на безплатна енергия от тионните бактерии варира от 2 до 37%. Подобно на други хемоавтотрофи, тионните бактерии асимилират въглеродния диоксид предимно чрез цикъла на Калвин. Но те също имат способността да извършват други реакции на карбоксилиране, които са важни за образуването на определени метаболити.

Изключително термоацидофилните археи, зависими от сярата, също са способни на литотрофен растеж в присъствието на елементарна сяра и могат да се развиват при 40–100 °C и pH 1–6; това са обитатели на хидротерми и вулканични калдери.

Хетеротрофни сероокисляващи микроорганизми (организми, които използват органични вещества за хранене).

Способността на някои облигатни хетеротрофни бактерии, дрожди и микромицети да окисляват различни неорганични серни съединения е известна от доста време, въпреки че значението на тези реакции в метаболизма на хетеротрофите все още не е напълно изяснено. Сред хетеротрофните сяроокисляващи бактерии преобладават видовете от групата на псевдомонадите, които извършват непълно окисление на тиосулфат до тетратионат.

Също така С.Н. Виноградски отбелязва (1887–1889), че безцветните серни бактерии могат да растат във вода, съдържаща много малки количества органични вещества, и следователно приема, че те могат да абсорбират въглероден диоксид. Въз основа на изследване на физиологията на различни щамове на Beggiatoa, Pringsheim вярва, че сред тях има автотрофи, които окисляват сероводород и фиксират CO 2, и има представители, които изискват органични съединения. Но редица хетеротрофни щамове Beggiatoa също окисляват сероводород в присъствието на органични съединения, вероятно произвеждайки енергия, т.е. те са хемолитохетеротрофи. Наред с безцветните серни бактерии са известни типични хетеротрофни микроорганизми, които участват в окисляването на сероводород, молекулярна сяра и тиосулфат. Те включват представители на Bacillus, Pseudomonas, Achromobacter, Sphaerotilus, както и актиномицети, плесени (Penicillium luteum, Aspergillus niger), дрожди и Alternaria. Някои от тях, по-специално нишковидната многоклетъчна бактерия Sphaerotilus natans, отлагат сяра в клетките в присъствието на сероводород. Други (Pseudomonas aeruginosa, Ps. fluorescens, Achromobacter stuzeri) са способни да окисляват тиосулфата до тетратионат (Na2S4O6). Образуването на политионати и сулфат също беше отбелязано, когато смесени култури от хетеротрофни микроорганизми реагираха с елементарна сяра. Механизмът на окисление и биологичното значение на този процес за хетеротрофите остават неясни. Някои хетеротрофни безцветни серни бактерии са способни да окисляват серните съединения с водороден пероксид, супероксиден радикал, образуван в клетките по време на окисляването на органични вещества: H 2 O 2 + H 2 S → S 0 + 2H 2 O. Физиологичният смисъл на този процес е детоксикация на токсични продукти от непълна редукция на кислород (H 2 O 2, O 2-).

Пълното окисление на серните съединения до сулфат е по-типично за микромицетите, живеещи в почви, обогатени с елементарна сяра. За някои видове от родовете микроскопични гъби Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Fusarium, Mucor и Auerobasidium е показана способността да окисляват елементарна сяра, тиосулфат и дори метални сулфиди в сулфат, но скоростта на такова окисление е един или два порядъка с магнитуд по-нисък от този на литотрофните бактерии.

микроорганизъм с циклична трансформация на сяра

Заключение

През последните десетилетия естественият цикъл на сярата е подложен на нарастващо антропогенно влияние, което води до натрупване на токсични серни съединения и дисбаланс в естествения цикъл на сярата. По-специално, мащабните емисии на серни съединения водят до образуването на серен диоксид, отделян от топлоелектрическите централи при изгаряне на изкопаеми горива, сероводород и летливи органични сулфиди, отделяни от целулозно-хартиени и металургични предприятия, както и по време на разлагането на битови и селскостопански отпадъчни води. Тези съединения са токсични дори в микрограмови концентрации. Те могат да отровят въздуха, да повлияят на химията на атмосферата и да причинят недостиг на кислород, разтворен във водата.

Следователно използването на прокариоти, участващи в трансформацията на серни съединения и детоксикацията на токсични серни съединения, изглежда много уместно. В допълнение, изключително високата каталитична активност на микроорганизмите е причина те да играят основна роля в химичните трансформации, които се случват на повърхността на Земята. Поради малкия си размер микроорганизмите имат високо съотношение повърхност/обем в сравнение с животните и висшите растения, което води до бърза обмяна на субстрати и отделителни продукти между клетката и околната среда.

Важни фактори са и високата скорост на тяхното размножаване при благоприятни условия и широкото им разпространение в биосферата. Въпреки изключителното значение на прокариотите в трансформацията на хранителни вещества, мащабът на прокариотната активност в цикъла на веществата, и по-специално в цикъла на сярата, все още не е напълно оценен.

Литература

1. Грабович М.Ю. Участие на прокариотите в цикъла на сярата // Soros Educational Journal, 1999, No 12, p. 16–20.

2. Громов Б.В., Павленко Г.В. Екология на бактериите. Л.: Издателство на Ленинградския държавен университет, 1989. 248 с.

3. Громов Б.В. Удивителният свят на археите // Soros Educational Journal. 1997. № 4. стр. 23–26.

4. Калдерни микроорганизми / Ed. Г.А. Заварзина. М.: Наука, 1989. 120 с.

5. Кондратьева E.N. Хемолитотрофи и метилотрофи. М.: Издателство на Московския държавен университет, 1983. 172 с.

6. Малахов В.В. Vestimentifera са автотрофни животни // Soros Educational Journal. 1997. № 9. стр. 18–26.

Биосферата на планетата е единен мегаорганизъм, чиито части са хармонично свързани помежду си. Цялото многообразие на живота е разделено на две суперцарства - прокариоти (доядрени организми) и еукариоти (имащи ядро). Кралствата са разделени на живи кралства:

  • вируси;
  • бактерии;
  • гъби;
  • растения;
  • животни.

Царството на бактериите, заедно с царството на вирусите, се обединява в суперцарството на прокариотите - безядрени организми. В исторически план това е първият ешелон от живи организми на планетата.

Живите едноклетъчни организми са се появили преди около 3,8 милиарда години. Почти милиард години те са били единствените живи обитатели на планетата – успешно са се размножавали, развивали и адаптирали. Резултатът от тяхната жизнена дейност беше появата на свободен кислород в атмосферата на планетата, което позволи появата на многоклетъчни организми - гъби, растения, цветя и животни.

В наши дни живите бактерии живеят навсякъде: от разредените атмосферни слоеве до най-дълбоките океански падини, те живеят в арктическия лед и термалните гейзери. Бактериите са колонизирали не само свободно пространство – те виреят вътре в други организми, били те гъби, растения или животни.

В природата всички животни и хората не са изключение, са местообитания за микроби, които обитават:

  • кожа;
  • устна кухина;
  • червата.

Изследователите са установили, че броят на клетките на микроорганизмите, живеещи в човешкото тяло, е 10 пъти по-голям от броя на собствените клетки. Въпреки такива високи количествени показатели, теглото на бактериите, живеещи в тялото, не надвишава 2 кг - това се дължи на значителна разлика в размера на клетките.

Живите представители на царството на бактериите имат безброй видове, но общото между всички тях е:

  • липса на ясно изразено ядро;
  • много малки (в сравнение с растителни и животински клетки) размери на клетките;
  • Биологичната единица е самата клетка; ако са комбинирани, говорим за колония от бактерии.

Именно представители на царството на бактериите направиха възможно появата на гъби, растения и животни. Появявайки се на планетата, микроорганизмите не само се адаптират към съществуващите условия - те активно променят местообитанието си, създавайки качествено нови характеристики.

Цикълът на азот и въглерод в природата се осъществява изключително благодарение на микроорганизмите. Учените са установили, че ако микробите бъдат премахнати от биосферата, животът на планетата не може да оцелее.

Ролята на прокариотите в биосферните цикли

При зараждането на живота на планетата представители на царството на бактериите активно участват във формирането на биосферата. Съвременната биосфера се нуждае от микроорганизми, за да поддържа нивото на функциониране - цикълът на енергия и материя в природата се осигурява от микроби.

Примери за доминиращата роля на живите микроби в биосферните процеси са създаването и поддържането на плодороден почвен слой.

В допълнение към газовите и окислителните функции, геохимичните функции на микроорганизмите стават все по-важни. Ензимната активност и концентрационните функции имат значително влияние върху геохимията на планетата.

Видово разнообразие на микроорганизмите

Представителите на царството на бактериите са населили всички нива на биосферата и чрез наличието на микроби определят горната и долната граница на биосферата на планетата. Живеейки в среда с толкова различни физически параметри, микробите се различават по редица характеристики.

  1. Според формата на живата бактериална клетка:
    • сферични коки;
    • пръчковидна;
    • извита, разделена на вибриони и спирохети.
  2. Според начина, по който тялото се движи в пространството:
    • без камшичета (хаотично движение подобно на брауновото);
    • с помощта на флагели (броят варира от един до много по целия периметър).
  3. Според метаболитните характеристики на представителите на царството на бактериите:
    • синтез на необходимите вещества от неорганични - автотрофи;
    • преработка на органични вещества - хетеротрофи.
  4. Според метода на получаване на енергия:
    • дишане (аеробни и анаеробни микроорганизми);
    • ферментация;
    • фотосинтеза (безкислородна и безкислородна).

Характеристики на връзката между микробите и вирусите - представители на едноименните царства

Суперцарството на прокариотите обединява две царства – бактерии и вируси, които имат много повече разлики, отколкото прилики. Например, ако бактериите синтезират всички вещества, необходими за поддържане на живота, тогава вирусите изобщо не са способни да синтезират протеини. Те дори не могат да възпроизвеждат собствения си вид сами, а само чрез проникване в клетката на някой друг.

Вирусите блокират ДНК на клетката гостоприемник и я заменят със своя собствена – в резултат на това уловената клетка произвежда копия на нахлуващия вирус, което обикновено води до неговата смърт.