История жизни

<- Глава 4 Глава 6 ->

Часть 3. Криптозой

 

    Глава 6. Удивительные способности прокариотов 

Как мы уже могли убедиться на примере бактериальных матов и фотосинтеза, прокариоты, эти древнейшие живые существа на Земле, вовсе не так просты, как можно было подумать. Но кроме названных, у них есть и другие замечательные способности, которые заставляют относиться к археям и бактериям с большим вниманием и уважением. Назовем самые интересные из них.

 

Образование месторождений.

Практически во всех геологических процессах, которые сформировали осадочный чехол нашей планеты, активно участвовали (и продолжают участвовать) микроорганизмы. Доказано, что многие месторождения руд — не только железных, но и золотых, марганцевых, цинковых и многих других — имеют биологическое происхождение. Эти месторождения были некогда сконцентрированы микробами, постепенно осаждавшими на своих клеточных стенках ионы различных металлов. И если рассмотреть строение рудного вещества под микроскопом, становятся видны тельца, точь-в-точь такие, какими некогда были клетки микроорганизмов. В ходе своей жизнедеятельности микробы активно преобразуют соединения железа, серы, фосфора, образуя пириты, фосфориты и другие минералы. Как это происходит, не всегда понятно.

 

Переработка органических останков.

Редуцентами также являются грибы, дождевые черви, личинки насекомых, но все же основную работу по возвращению в биохимический оборот мертвой органики выполняют микробы. Именно благодаря им на суше детрит превращается в плодородную почву, в воде – в ил, а атмосфере возвращается углекислый газ.

 

Азотфиксация.

Азот совершенно необходим для существования земной жизни. Животные получают его из растений, а растения могут усваивать азот только из почвы в форме различных соединений, преимущественно аммония NH4+. Недостаток доступного азота – главный лимитирующий фактор, ограничивающий рост растений. Процесс перевода молекулярного азота N2 из атмосферы в доступную для растений форму называется фиксацией азота. Молекулярный азот химически инертен и его фиксация требует огромных затрат энергии. А осуществлять ее умеют только прокариоты, и то далеко не все. Некоторое количество азота фиксируется при грозовых разрядах, и еще человек производит азотные удобрения из воздуха, но суммарное производство промышленности и молний значительно уступает тому, что делают прокариоты.

Основная проблема азотфиксации в том, что специальные ферменты нитрогеназы работают только в анаэробных, бескислородных условиях. Поэтому азотфиксирующие бактерии прячутся под землей. У бобовых растений на корнях есть клубеньки, в которых живут азотфиксирующие бактерии. Растения защищают их от кислорода и доставляют необходимые вещества, а бактерии снабжают растения азотом. Поэтому высадка бобовых заменяет внесение азотных удобрений.

Цианобактерии и тут оказались впереди планеты всей. У азотфиксирующих цианобактерий выработалось разделение функций между клетками. Эти виды цианобактерий образуют нитевидные колонии, в которых одни клетки занимаются только фотосинтезом и не фиксируют азот, другие — покрытые плотной оболочкой гетероцисты — не фотосинтезируют и занимаются только фиксацией азота. Эти два типа клеток, естественно, обмениваются между собой производимой продукцией (органикой и соединениями азота).

А новейшие исследования выявили даже цианобактерию, которая смогла совместить фотосинтез и азотфиксацию в одной клетке, разнеся их по времени. Днем она фотосинтезирует, а ночью фиксирует атмосферный азот. Если бы методами генной инженерии удалось научить растения самостоятельно фиксировать азот, можно было бы добиться колоссального увеличения урожайности.

 

Необычайная живучесть и приспособляемость.

Бактерии умеют приспосабливаться почти к любым условиям и извлекать энергию чуть ли не из любого химического процесса. Прокариот можно обнаружить в верхних слоях атмосферы на высоте несколько десятков километров, глубоко под землей, в кипящих вулканических источниках и в толще антарктических ледников. Микроб Deinococcus radiodurans знаменит тем, что способен выдерживать чудовищные дозы радиации, абсолютно смертельные для любого другого живого существа. Обычно прокариоты имеют только один экземпляр генома в каждой клетке (у растений и животных по два), а в клетках дейнококка содержится сразу  четыре копии генома. «Запасные» копии нужны этому обитателю ядерных реакторов для оперативной починки ДНК.

Толща земной коры заселена микроорганизмами вплоть до глубины в 6-7 км или даже более. Подземные микробы, по-видимому, играют большую роль во многих геохимических процессах, в том числе в образовании нефти и газа.

На фоне такой живучести шокирующим стало открытие того, что большинство существующих в природе микроорганизмов могут жить только в естественной среде обитания. На искусственных средах они не растут. То есть они очень чувствительны к внешним условиям, и приспособиться к их изменениям могут только постепенно. Например, в кишечнике взрослого человека присутствует более 1 кг микроорганизмов, относящихся к сотням различных видов. Однако изучить их, и даже просто узнать видовой состав невозможно. Микробиологи знают в лицо лишь несколько десятков типичных представителей, которых можно вырастить на искусственных средах.

 

Образование спор в неблагоприятных условиях.

Некоторые бактерии обладают удивительной способностью, позволяющей им переносить любые неблагоприятные условия. Они образуют клетки особого рода – споры, покрытые толстой оболочкой.  Среди спорообразующих бактерий особенно распространены бациллы, обладают такой способностью и бродильщики. Споры обладают большой устойчивостью к различным неблагоприятным условиям. Они выдерживают длительное кипячение, высушивание, замораживание, действие различных химических веществ. При улучшении условий споры расконсервировываются, возвращаются к жизни.

 

Образование высокоорганизованных сообществ.

Распространенная почвенная бактерия  Bacillus subtilis («тонкая бацилла») умеет при необходимости отращивать жгутики и приобретать подвижность; собираться в «стаи», в которых передвижение микробов становится согласованным; принимать «решения» на основе химических сигналов, получаемых от сородичей. При этом используется особое «чувство кворума» — нечто вроде химического голосования, когда определенное критическое число поданных сородичами химических «голосов» меняет поведение бактерий. Мало того, Bacillus subtilis способна собираться в многоклеточные агрегаты, по сложности своей структуры приближающиеся к многоклеточному организму.

Другие почвенные бактерии Myxococcus xanthus иногда собираются в большие скопления и устраивают коллективную «охоту» на других микробов. «Охотники» выделяют токсины, убивающие «добычу», а затем всасывают органические вещества, высвободившиеся при распаде погибших клеток.

Образование спор – это тоже сложный коллективный процесс. Сначала бактерии собираются в плодовые тела, в которых часть из них превращается в споры. Плодовое тело образуется из огромного множества индивидуальных бактериальных клеток. Создание такой крупной и сложной многоклеточной структуры требует слаженных действий миллионов отдельных бактерий, из которых лишь малая часть получает прямую выгоду, а все остальные жертвуют собой ради общего блага. Дело в том, что лишь очень немногие из участников коллективного действа смогут превратиться в споры и передать свои гены следующим поколениям. Все остальные выступают в роли «стройматериала», обреченного умереть, не оставив потомства.

Ну и, конечно, не забудем про бактериальные маты – высшую степень развития бактериальных сообществ.

 

Почти все организмы являются симбиозом с бактериями.

Пожалуй, не найдется ни одного организма, который обходился бы в своей жизнедеятельности без помощи бактерий.

Некоторым морским червям бактерии заменяют органы пищеварения, а червю Olavius algarvensis, обитающему в Средиземном море, еще и органы выделения. У этого червя нет ни рта, ни кишечника, ни органов выделения, ни ануса, бактерии-симбионты образуют внутри него безотходное производство.

Растения они снабжают азотом, да и фотосинтез, основную функцию растений, осуществляют потомки цианобактерий.

Тли питаются исключительно соками растений. Жить на этой скудной диете им позволяет удачный симбиоз с бактериями Buchnera. Симбионты получают от хозяев кров и пропитание, а в обмен синтезируют для них аминокислоты, витамины и другие вещества, напрочь отсутствующие в той чуть сладенькой водичке, которая составляет единственную пищу тлей.

Чрезвычайно широко распространены также симбиозы животных с микробами, помогающими усваивать растительную пищу. Потребление органики, производимой растениями в ходе фотосинтеза, — главная «экологическая роль» животных в биосфере, однако, как это ни парадоксально, сами по себе животные практически не способны справляться с этой задачей. Подавляющее большинство растительноядных животных попросту лишены ферментов для расщепления растительных полимеров (главным из которых является целлюлоза). Поэтому практически все животные-фитофаги — это на самом деле симбиотические комплексы из животного-хозяина и разнообразных бактерий, грибов или простейших (причем в последнем случае симбиотические простейшие зачастую сами имеют бактериальных симбионтов). Скорее всего, растительноядность изначально была симбиотическим феноменом. Роль симбионтов не сводится к расщеплению растительных полимеров: они могут также утилизировать азотные шлаки хозяина и синтезировать многие вещества, необходимые хозяину, но отсутствующие в растительной пище.

В кишечнике человека тоже живет до килограмма бактерий. Только с испражнениями из организма взрослого человека ежедневно выделяется около 18 млрд. бактерий. Для нас бактерии расщепляют полисахариды, синтезируют аминокислоты и витамины, защищают от токсинов.

 

Рекорды долгожительства.

В благоприятных условиях прокариоты делятся каждые 20-30 минут. Но если ресурсов недостаточно, то все процессы замедляются, и между делениями могут проходить сотни, и даже тысячи лет.

 

Но при всех своих удивительных качествах прокариоты оказались не способны образовать многоклеточный организм. Их ДНК «варится»в общем биохимическом котле цитоплазмы, а это не позволяет тонко регулировать работу генов. Для многоклеточного же организма нужна высокая пластичность клетки, ведь геном у клеток, образующих самые разнообразные ткани организма, одинаков. Только в разных клетках активируются различные его участки. Для тонкой настройки генома потребовалось изолировать ДНК от цитоплазмы, создав клеточное ядро.

<- Глава 4 Глава 6 ->

 

Понравилась статья? Поделись с друзьями.

Оставить комментарий

56 − = 49