§ 12. Прокариотическая клетка

Вспомните!

В чём заключаются принципиальные отличия в строении прокариотических и эукариотических клеток?

Наличие оформленного ядра

Какова роль бактерий в природе?

Полезные бактерии пищеварительного тракта (escherichia coli)

Клубеньковые бактерии растений

Производственные процессы (молочнокислые бактерии)

Патогенные (болезнетворные) бактерии (палочка Коха)

Биологическая очистка питьевой воды, вместо хлорирования

Круговорот веществ и энергии в биосфере в целом

Бактерии играют огромную роль в существовании современной биосферы. Многие из них вызывают процессы гниения и брожения. Существуют прокариоты, живущие в симбиозе с другими организмами, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений. К группе бактерий-паразитов относятся микроорганизмы, способные вызывать заболевания растений и животных. Пневмония, ангина, тиф, холера, чума, туберкулёз, сибирская язва и многие другие тяжёлые заболевания человека вызываются патогенными бактериями.

Вопросы для повторения и задания

1. В чём заключаются значение и экологическая роль прокариот в биоценозах?

Царство прокариот в основном представлено бактериями, наиболее древними организмами нашей планеты. Возникнув более 3,5 млрд лет тому назад, прокариоты фактически создали биосферу Земли, сформировав условия для дальнейшей эволюции организмов. Впервые бактерии увидел под микроскопом и описал в 1683 г. голландский натуралист А. Левенгук. Размеры бактерий колеблются в пределах от 1 до 15 мкм. Отдельную бактериальную клетку можно увидеть только с помощью достаточно сложного микроскопа, поэтому их и называют микроорганизмами. Бактерии обитают повсюду: в почве, в воде, в воздухе, на поверхности и внутри других организмов, в пищевых продуктах. Некоторые бактерии поселяются в горячих источниках, где температура воды достигает 78 °С и выше. Число бактерий на планете огромно, например в 1 г плодородной почвы содержится около 2,5 млрд бактериальных клеток. Форма клеток бактерий чрезвычайно разнообразна (рис. 39). Выделяют палочковидные — бациллы, сферические — кокки, спиралевидные — спириллы, имеющие форму запятой — вибрионы. Бактерии играют огромную роль в существовании современной биосферы. Многие из них вызывают процессы гниения и брожения. Существуют прокариоты, живущие в симбиозе с другими организмами, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений. К группе бактерий-паразитов относятся микроорганизмы, способные вызывать заболевания растений и животных. Пневмония, ангина, тиф, холера, чума, туберкулёз, сибирская язва и многие другие тяжёлые заболевания человека вызываются патогенными бактериями.

2. Каким образом болезнетворные микроорганизмы влияют на состояние макроорганизма (хозяина)?

Среди бактерий существует много болезнетворных (патогенных) видов, вызывающих заболевания у человека. Впервые доказать болезнетворную роль бактерий удалось немецкому врачу и исследователю Роберту Коху. Он открыл бактерий-возбудителей многих заболеваний. В 1882 г. Кох выделил и описал возбудителя туберкулёза, которого позже стали называть палочкой Коха. Одним из самых быстротекущих бактериальных заболеваний является чума. От первых признаков болезни до смерти может пройти всего несколько часов. Очень опасны газовая гангрена и столбняк. Их возбудители — бактерии, живущие в почве. Заражение происходит при попадании земли в глубокие раны. Поверхностные раны и ожоги часто инфицируются стафилококками и стрептококками, вызывающими гнойные воспаления. Через воздух можно заразиться ангиной, коклюшем, дифтерией, туберкулёзом. Другие болезнетворные микробы могут попасть в организм через сырую воду, немытые овощи и фрукты, грязную посуду и руки. Такие заболевания, как холера, брюшной тиф, дизентерия, сопровождаются расстройством работы кишечника, болями в животе, повышением температуры.

3. Опишите строение бактериальной клетки. Как вы думаете, почему у бактерий ДНК не образует комплекс с белками?

Клетка окружена мембраной обычного строения, кнаружи от которой находится клеточная стенка. В центральной части цитоплазмы располагается одна кольцевая молекула ДНК, не отграниченная мембраной от остальной части цитоплазмы. Зона клетки, содержащая генетический материал, носит название нуклеоид (от лат. nucleus — ядро и греч. eidos — вид). Кроме основной кольцевой «хромосомы» бактерии обычно содержат несколько мелких молекул ДНК в форме небольших, свободно расположенных колец, так называемых плазмид, участвующих в обмене генетическим материалом между бактериями. В бактериальных клетках нет мембранных органоидов, характерных для эукариот (эндоплазматической сети, аппарата Гольджи, митохондрий, пластид, лизосом). Функции этих органоидов выполняют впячивания клеточной мембраны. Обязательными органоидами, которые обеспечивают синтез белка в бактериальных клетках, являются рибосомы. Поверх клеточной стенки многие бактерии выделяют слизь, образуя своеобразную капсулу, дополнительно защищающую бактерию от внешних воздействий.

Белки-гистоны, которые образуют комплексы в эукариотических клетках, прежде всего выполняют функцию упаковки для компактного расположения в ядре, а в прокариотической клетке нет ядерной оболочки, поэтому и белки не нужны.

4. Как размножаются бактерии?

Бактерии размножаются простым делением надвое. После редупликации кольцевой ДНК клетка удлиняется и в ней образуется поперечная перегородка. В дальнейшем дочерние клетки расходятся или остаются связанными в группы.

5. В чём сущность процесса спорообразования у бактерий? Сравните споры растений и грибов. В чём их сходство и принципиальные отличия?

Многие прокариоты способны к спорообразованию (рис. 40). Споры возникают, как правило, в неблагоприятных условиях и представляют собой клетки с резко сниженным уровнем метаболизма. Споры покрыты защитной оболочкой, сохраняют жизнеспособность в течение сотен и даже тысяч лет и выдерживают колебания температуры от –243 до 140 °С. При наступлении благоприятных условий споры «прорастают» и дают начало новой бактериальной клетке. Таким образом, спорообразование у прокариот является этапом

жизненного цикла, обеспечивающим переживание неблагоприятных условий окружающей среды. Кроме этого в состоянии спор микроорганизмы могут легко распространяться при помощи ветра и другими способами.

Подумайте! Вспомните!

1. Предположите, что произойдёт, если исчезнут все бактерии на Земле.

Бактерии играют огромную роль в существовании современной биосферы. Многие из них вызывают процессы гниения и брожения. Существуют прокариоты, живущие в симбиозе с другими организмами, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений. Поэтому нарушиться устойчивость экосистем и глобальный круговорот химических элементов и соединений в природе, прекратятся процессы гниения, и другие важнейшие процессы экосистем.

2. Как давно люди используют микроорганизмы?

Впервые бактерии увидел под микроскопом и описал в 1683 г. голландский натуралист А. Левенгук. Размеры бактерий колеблются в пределах от 1 до 15 мкм. Отдельную бактериальную клетку можно увидеть только с помощью достаточно сложного микроскопа, поэтому их и называют микроорганизмами. Микроорганизмы в виде заквасок для приготовления пива и вина сознательно использовали еще в Вавилоне (4 тыс. лет назад) и у шумеров (более 5 тыс. лет назад). Сейчас люди используют уже сотни видов микроорганизмов, и число это растет. Но качественный скачок в их использовании произошел, вероятно, 20-30 лет назад, когда были поняты многие генетические механизмы регуляции биохимических процессов, происходящих у микроорганизмов, а сама их генетика стала такой же строгой наукой, как до того генетика высших эукариот. Все эти годы происходило не только увеличение наших знаний о микроорганизмах, но и совершенствование технологии их использования в практических целях. Все это послужило базой для создания микробиологической промышленности - важной и самостоятельной отрасли современного производства.

3. В чём состоит сущность процессов пастеризации и стерилизации как меры борьбы с бактериями?

Пастеризация - тепловая обработка молока при температурах ниже точки его кипения, проводимая в целях обезврежения молока в микробиологическом отношении, инактивации ферментов, придания молоку определенного вкуса и запаха. Пастеризация молока ослабляет или уничтожает некоторые пороки вкуса и запаха молока, а в сочетании с охлаждением и асептическим розливом исключает вторичное обсеменение микроорганизмами, предотвращает порчу продукта при хранении. Возможное бактериальное обсеменение при технологической обработке молока наглядно видно. Критические температуры гибели патогенных микроорганизмов ниже, чем молочнокислых, особенно термофильных бактерий; наиболее устойчивы бактерии туберкулеза. Температуры разрушения ферментов также различны. Так, фосфатаза инактивируется при 72-74 °С, нативная липаза — при 74-80 °С, бактериальная липаза — при 85-90 °С.

Стерилизация - тепловая обработка молока при температуре выше 100 °С. При этом полностью уничтожаются все виды вегетативных микроорганизмов, их спор, инактивируются ферменты. В молочной промышленности применяют следующие виды стерилизации: стерилизация в таре при температуре 115-120 °С с выдержкой 30 и 20 мин; обработка ультравысокими температурами (УВТ-обработка или ультра пастеризация) при температуре в пределах 140 °С с выдержкой 2 с.

4. Что такое антибиотики? С какой целью их применяют?

Антибиотики – это препараты для лечения бактериальных инфекций и заболеваний.

5. Используя знания, полученные при изучении курса «Человек и его здоровье», расскажите об особенностях бактериальных инфекций, путях заражения, мерах профилактики и способах их лечения.

6. Организуйте и проведите исследование микроорганизмов в естественных продуктах (квашеная капуста, кисломолочные продукты, чайный гриб, дрожжевое тесто).

Молоко — питательная жидкость, вырабатываемая молочными железами самок млекопитающих, это многокомпонентная полидисперсная система, в которой все составные вещества находятся в тонкодисперсном состоянии, что обеспечивает молоку жидкую консистенцию, в его состав входит: вода, молочный жир, белки, казеин, молочный сахар лактоза, минеральные вещества, витамины, пигменты, гормоны, газы (углекислый, азот, кислород, аммиак), и др компоненты. Для опыта необходимо взять пастеризованное свежее молоко и несвежее (24 часа стоявшее при комнатной температуре).

Ход работы:

1. Микробиологическую петлю окуните в пробу свежего молоко, слегка взболтай его.

2. Распределите содержимое петли в чашке Петри (с заготовленной средой агар-агара), и распределите пробу по всей поверхности штрихами.

3. Закройте крышку чашки.

4. Тоже сделайте с несвежим молоком и другой чашкой Петри.

5. Все пробы (можно сделать несколько чашек), поместите в термостат при температуре 350С на трое суток.

6. Чашки следует перевернуть, чтобы избежать попадание конденсата на пробы.

7. После инкубации бактерий, чашки можно положить в холодильник, предварительно перевязав скотчем.

8. Приготовить мазок пробы.

9. 1-2 капли поместить на предметное стекло

10. Прокалить петлю, слегка коснуться колонии бактерий в чашке Петри

11. Перемести клетки на предметное стекло и слегка помешать каплю петлей.

12. Размазать клетки в виде тонкой пленки.

13. Высушите стекло с пробой, можно над пламенем спиртовки, очень осторожно – не перегреть!

14. Рассмотреть под микроскопом изготовленный микропрепарат

15. Сделать рисунок.

16. Сделать выводы.