Прокариоты и водоросли

23.08.2018

Примерно два-два с половиной миллиарда лет назад эти процессы разделили весь живой мир на два лагеря, принципиально разных по способу питания. Одна группа организмов приобрела способность с помощью особого вещества – хлорофилла накапливать в себе солнечную энергию и использовать ее затем для создания пищи из обычнейших веществ, имеющихся практически в любой точке поверхности планеты – из углекислого газа и воды.

Биология 6 класс: Строение клетки. Прокариоты

Вторая группа организмов оставила за собой привилегию питаться только за счет уже созданной органики. Таким путем и возникли два основных царства современной живой природы: царство растений и царство животных, главное различие между которыми – способность или неспособность производить на свету органическое вещество. Эти две крупнейшие группировки в мире живого биологи выделили уже довольно давно.

Однако в последние десятилетия большинством ученых признано существование еще не менее двух царств живых организмов. Таковыми сейчас считаются, во-первых, царство прокариот, или одноклеточных микроорганизмов, не имеющих в своей клетке настоящего ядра (рис. 1).

К нему относят бактерий и цианей (так ныне называют тип организмов, именовавшийся до того сине-зелеными водорослями). Во-вторых, сейчас систематиками в особое царство выделены грибы – эти организмы имеют сходство по ряду признаков с животными и с растениями, не являясь, однако, ни теми, ни другими).

Бактерии, цианеи и некоторые типы водорослей – одни из древнейших представителей жизни на нашей планете. Число их видов велико, роль этих организмов в биосфере Земли колоссальна, но, однако, для непосвященных она почти незаметна. Едва ли не все упомянутые группы (за исключением, конечно же, морских водорослей) довольно широко представлены и на территории Самарской области.

Резкие, бросающиеся в глаза различия между растениями и животными еще с античных времен были основой классификации живой природы. Так, Аристотель, разрабатывая свою структуру мира живых существ, уже выделили эти два царства как главные элементы здания жизни. Его авторитет господствовал во многих науках почти две тысячи лет, и даже «отец систематики» Карл Линней при работе над своей «Системой природы» не счел нужным «выдумывать» что-то новое по сравнению с Аристотелем. Тем не менее к моменту выхода из печати в 1735 году труда Линнея уже было известно об открытиях в капле воды, сделанных мануфактурщиком из голландского городка Дальфта Антонием ван Левенгуком (рис. 2, 3, 4).

Этот любопытный торговец достиг большого успеха в изготовлении линз, а затем и особых приборов – микроскопов, дающих увеличение любого крохотного объекта в 150 раз. В письме Лондонскому королевскому обществу, которое было отправлено в 1683 году, Левенгук описал «анималькулей» (то есть крохотных зверьков) и «движущиеся шарики и палочки»; все это он увидел в самых обычных капельках дождевой воды. Так произошло открытие для человечества громадного мира мельчайших существ, которыми, как нам сейчас известно, насыщена каждая пядь водоемов, почв, воздуха, леса, луга, поля и всех прочих участков земной биосферы. В их рядах одну из ведущих ролей занимают бактерии.

Под словом «бактерии» (а в просторечии – под словом «микробы») иногда подразумевают любые микроорганизмы, то есть любые микроскопически малые живые существа. Однако это не так. Целый ряд типов живых организмов имеет подобные крохотные размеры, но входит в эту категорию только собственно бактерии, микроскопические зеленые водоросли и уже упомянутые выше цианеи.

Все их основные морфологические признаки этой группы отличаются крайней примитивностью: так, клетка всех этих упомянутых существ никогда не содержит по-настоящему оформленного ядра (их хромосомы плавают непосредственно в цитоплазме). Кроме того, вся клетка такого типа крайне слабо разделена внутренними перегородками (в ней нет ни митохондрий, ни хлоропластов). Основу каркаса клеточной стенки бактерий и цианей составляет особый гетерополимер муреин, у всех прочих живых существ планеты никогда не встречающийся.

Все эти перечисленные признаки дали возможность ученым выделить подобные безъядерные организмы в особое царство, получившее название прокариоты. Их следует рассматривать как одних из первых настоящих живых существ, появившихся на Земле. По всем критериям бактерии и цианеи – это реликтовые формы той эпохи, когда жизнь в океанах планеты только-только еще зародилась; скорее всего, прокариоты существовали еще в конце археозоя (это около двух с половиной – трех миллиардов лет назад).

К бактериям относят прокариот, которые в подавляющем своем большинстве все это сверхдолгое время так и не приобрели возможности осуществлять в своей клетке процесса фотосинтеза. Правда, некоторые представители бактериального мира имеют специфические для них пигменты бактериопурин и бактериохлорофилл, с помощью которых фотосинтез у них может осуществляться, но это лишь исключение из общего правила. Зато бактерии способны на многое другое, что не под силу бывает сделать никому более, а именно: бактерии оказались способны совершать настолько сложные процессы биохимического синтеза, или, наоборот, расщепления органических веществ, что этим своим умением они поставили себя в положение совершенно незаменимого звена в цепочке круговорота жизни на планете (рис. 5-8).

Судите сами: если бы не деятельность мириадов бактерий, разрушающих ткани отмерших организмов до первичных «кирпичиков» - углекислого газа, воды и еще некоторых простейших соединений, то наша старушка Земля уже в ближайшей перспективе покрылась бы все увеличивающимся слоем из трупов животных, останков растений, экскрементов и прочих малоприятных вещей. Без разложения всего, что уже прекратило свое существование, очень скоро остановилась бы и сама жизнь на Земле: ни у животных. Ни у растений не оказалось бы более пищи.

Поразительна также способность бактерий осуществлять поразительно сложные и быстрые реакции химического соединения. Так, весьма деятельный микроб, получивший название азотобактер и живущий обычно в особых клубеньках на корнях бобовых растений, обладает способностью извлекать из воздуха свободный азот и переводит его в органические соединения, доступные для растений. Благодаря азотобактеру почва постоянно обогащается чрезвычайно необходимыми всему живому азотными веществами. В то же время человек с помощью своей техники, даже самой современной, пока научился фиксировать атмосферный азот лишь при высоких, в сотни градусов, температурах и при большом давлении; микроб же эту операцию шутя проделывает при двадцати градусах Цельсия и семистах шестидесяти миллиметрах ртутного столба, причем с громадной скоростью (по сравнению, конечно же со скоростью современных промышленных процессов) (рис. 9, 10).

А вот серобактерии спокойно питаются чистым сероводородом, используя в качестве источника энергии его окисление; водород при этом связывается с кислородом, а сера оказывается свободной. Эти запасливые микробы накапливают серу в своем теле; делают они это, видимо, из расчета на то, что, если вдруг сероводород в окружающем их пространстве иссякнет, серу тоже можно будет окислить, изготовить серную кислоту и воспользоваться при этом для своих нужд химической энергией. Но до такого исхода дело, как правило, не доходит никогда; серобактерии, как и все живое на земле, заканчивают свой жизненный путь, и их отмершие тела, начиненные крупинками чистой серы, оседают на дно водоема (рис. 11, 12).

Исследования, проведенные микробиологами на знаменитом озере Серном, что находится в поселке Серноводск Сергиевского района, показали, что ежесуточно (!) в нем откладывается ошеломляющее количество этого ценнейшего вещества – до сотни килограммов, а в год, следовательно, более тридцати тонн! Буквально на наших глазах ежечасно образуется новое месторождение полезного ископаемого, и создается оно лишь благодаря деятельности мельчайших, невидимых невооруженным глазом живых существ (рис. 13).

И крупные месторождения самородной серы, расположенные в нашем крае (Водинское, Сырейское, на горе Серной и прочие) – это тоже результат деятельности серобактерий, живших здесь в далеком прошлом. За миллионы лет эти малютки создали геологические слои, состоящие почти целиком из чистой серы, имеющие мощность в сотни метров, занимающие территорию во много квадратных километров (рис. 14).

Наконец, в природе существует еще и такие удивительные организмы, как железобактерии; они есть в любом болотце и даже луже. Эти микробы научились использовать в качестве источника энергии другой, не менее экзотический для живого химический процесс. Дело в том, что железо, как элемент таблицы Менделеева, может находиться и в двух -, и в трехвалентном состоянии; в первом случае оно образует закисные соединения, хорошо растворимые в воде, во втором – окисные, в воде уже нерастворимые.

Железобактерии извлекают из воды закиси железа, которых много в любом естественном водоеме, и переводят их в окиси, получая при этом нужную им энергию. Из нерастворимой окиси они строят всем хорошо известные тончайшие трубочки, нити и хлопья, устилающие дно и подводные предметы в болотах, озерах и давно стоящих лужах (рис. 15, 16).

Всем видам бактерий соответствуют лишь свои, строго определенные виды химических процессов. Так, различные микробы вызывают и различные типы брожения: молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, уксуснокислое, пектиновое и тому подобное. Как это бывает всегда при процессах расщепления органических веществ, бактерии используют брожение для получения энергии; например, при молочнокислом брожении молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. А в результате выделяется свободная энергия (примерно 38 килокалорий от одного моля).

Живучесть бактерий и способность их приспособления к неблагоприятным условиям внешней среды также поразительны, особенно в состоянии споры. Термофильные (теплолюбивые) бактерии в этой стадии не гибнут, если их кипятить 100 часов. Споры же других микробов не погибают и при температуре жидкого гелия. Найдены бактерии, спокойно живущие в насыщенном растворе борной кислоты, а медном купоросе, в хлористой ртути, а еще один микроб вообще питается карболкой – тем самым веществом, что обычно употребляется для уничтожения микроорганизмов.

Бактерии есть всюду: в почве и в воздухе, в мертвых и живых организмах, в воде источников и в недрах земли. Численность этих организмов не поддается сравнению с численностью любых других существ. Так, например, согласно исследованиям гидробиологов, в одном миллилитре воды, взятом из Волги близ Сызрани (то есть примерно в одной капле) содержалось бы более трех миллионов бактерий, причем наибольшее число – около шести миллионов в капле – наблюдалось в конце лета и в начале осени, когда температура воды наиболее высока. Этот факт еще раз подтверждает то обстоятельство, что ныне существующий температурный режим в наших водохранилищах благоприятен не для рыб, как было бы наиболее желательно, а для микроорганизмов, вызывающих цветение воды – для бактерий и сине-зеленых водорослей, или цианей.

Цианеи, наряду с бактериями - один из самых просто устроенных живых организмов Земли, и, разумеется, одни из самых древних. Эти водоросли способны к процессу фотосинтеза; но однако, хлорофилл в их клетках сосредоточен не в хлоропластах, а разбросан по цитоплазме в виде мелких зерен. Специфическая окраска цианей обусловлена тем, что, помимо таких пигментов, как хлорофилл, каротин и ксантофилл. Они содержат еще особый, присущий только им пигмент – фикоциан (рис. 17, 18).

Сине-зеленые водоросли живут в основном в пресных водоемах, в морях их очень мало; кроме того, целая группа цианей может жить также и в достаточно влажных почвах. Так, например, согласно исследованиям, проведенным сотрудниками кафедры ботаники самарского госуниверситета, в Красносамарском и Тольяттинском лесничествах, в супесчаных и суглинистых почвах из указанных точек было обнаружено 12 различных видов цианей, таких, как носток, формидиум, цилиндроспериум и другие (рис. 19, 20).

Кстати, на тех же участках и на тех же типах почв обнаружено также 16 видов ксантофикофит, или представителей другого типа водорослей – желто-зеленых, в основном из родов плеврохлорис и полиэдриэлла. Среди ксантофикофит есть и водные формы; так, согласно исследованиям саратовских гидробиологов водохранилище близ села Приволжье обитает два вида желто-зеленых водорослей, а также восемь видов родственной им группы золотистых водорослей. Для обеих этих групп наиболее характерными признаками следует назвать наличие пропитанной кремнием двустворчатой клеточной стенки и богатых каротинами и ксантофиллами хлоропластов, которые придают этим водорослям так свойственную им желто-зеленую или золотистую окраску (рис. 21, 22).

Здесь же следует назвать еще один тип водорослей, обитающих в Волге – пирофитовые водоросли, часто имеющие кроваво-красную окраску. В Саратовском водохранилище зафиксировано восемь виды этих организмов. Также. Как и два предыдущих типа, клетка пирофит одета двустворчатым панцирем, имеет красящие пигменты фукоксантин и, конечно же, хлорофилл, но, однако, в отличие от них, снабжена двумя жгутиками. Они иногда дают резкие вспышки численности, благодаря чему вода в очень короткое время словно «превращается в кровь». Видимо, подобное явление легло в основу одной из библейских «казней египетских», когда Моисей за одну ночь смог превратить в кровь воду в реках Египта (рис. 23).

Наконец, в этом обширном мире водорослей нашего края осталось неназванной еще одна весьма крупная группа – так называемые зеленые водоросли. И вот здесь, в связи с достаточно слабой их исследованностью (именно в систематическом отношении) у альгологов, то есть у ученых, изучающих водоросли, сейчас существует определенная несогласованность. Суть ее состоит в том, что одни систематики считают зеленых типом низших растений, объединяющим в себе классы эвгленовых, диатомовых, харовых и собственно зеленых водорослей. Другие ученые, которых большинство. Придерживаются мнения, что все перечисленные группы представляют собой не классы, а отдельные типы водорослей, то есть различия между ними более существенны, чем просто зеленая окраска, и автор присоединяется к этой точке зрения. Все упомянутые типы встречаются на территории Самарской области.

Собственно зеленые водоросли, как уже видно из названия, кроме хлорофилла, не имеют (или почти не имеют) никаких других красящих пигментов. Хлорофилл же в их клетке сосредоточен в особых образованиях, называемых хроматофорами. Они могут залегать в теле водоросли и просто бесформенными островками, и специальными тяжами. Ядро зеленых водорослей имеет такое же строение, как и ядра клеток всех высших организмов. Общая биомасса этих существ, как и в пресных водоемах, так и в Мировом океане колоссальна; подсчитано, что 75 процентов всего вновь поступающего в атмосферу кислорода вырабатывается не наземными растениями, а океанским зеленым фитопланктоном. Если же сюда включить вообще все типы одноклеточных водорослей Земли, независимо от их окраски, то окажется, что 90 процентов кислорода на планете вырабатывается этими микроскопическими организмами (рис. 24, 25).

(Подпись к рисунку № 25. Зелёные водоросли. Верхний ряд, слева направо: хламидомонада, хлорелла, микрастериас, сценедесмус двуформенный, вольвокс. Нижний ряд, слева направо: спирогира, улотрикс, ульва, каулерпа, кладофора).

А из числа обитателей пресных водоёмов наиболее, пожалуй, известными зелеными водорослями являются хламидомонада, хлорелла и вольвокс. Первая встречается даже в придорожной луже или канаве. Клетка ее имеет яйцевидную форму с ядром и пектиновой оболочкой; водоросль эта способна как к половому, так и к бесполому типу размножения (рис. 26).

Что касается хлореллы, то ей для процесса фотосинтеза требуются только вода, диоксид углерода, свет, а также небольшое количество минералов для размножения. Очень распространенной у нас является Chlorella vulgaris, постоянно встречающаяся массами в воде и в грязи луж, канав и прудов. Её, а также родственную ей форму Chlorella infusionum вы можете увидеть и в своем доме. Например, в кувшине или графине с водой, если его долго не чистить, на внутренней поверхности стекла вскоре образуется зеленоватый налет – это и есть хлорелла (рис. 27).

А вот вольвокс, типичный пример колониальных водорослей, живет уже не в лужах, а в постоянных стоячих водоемах. Колония его имеем форму правильного шара, заполненного внутри слизью, а на поверхности имеющего всего один слой многочисленных двужгутиковых клеток. Шар движется, как правило, в неопределенном направлении, в ту сторону, куда его толкают более крупные, чем остальные, двигательные клетки (рис. 28).

Ученые-эволюционисты считают, что организмы типа вольвокса дали начало всем многоклеточным существам, живущим ныне на Земле. И действительно, его «шарик» очень похож на бластулу, одну из ранних стадий, которую проходит в своем эмбриональном развитии зародыш любого многоклеточного животного. У вольвокса описан также и процесс, напоминающий гаструляцию (то есть впячивание клеточного слоя внутрь бластулы).

Вообще альгологами выявлено для Самарской области 70 видов собственно зеленых водорослей, обитающих в толщах водохранилищ и озер, и, кроме того, еще 53 вида почвенных зеленых водорослей.

Диатомовые водоросли за миллионы лет приобрели для защиты своей клетки прочный двустворчатый панцирь из кремния; в истории Земли диатомовые известны уже десятки миллионов лет, и в местах массового отмирания этих водорослей еще в палеогеновое время образовались месторождения кремниевых горных пород – диатомитов, опок, трепелов. Такое месторождение есть и в нашей Самарской области – на западе Сызранского района. А из ныне живущих диатомовых у нас известно около 90 пресноводных и еще пять – почвенных видов (рис. 29).

(Подпись к рисунку № 29. Диатомовые водоросли. Верхний ряд, слева направо: хетоцерос двойной, диатомея тонкая, фрагилярия, талассиосира балтийская, рабдонема уменьшенная. Нижний ряд, слева направо: мастоглора голубая, мелозира северная, табеллярия, навикула морская, пиннулярия).

Жгутиковые (эвгленовые) водоросли стоят некоторым особняком в мире этих одноклеточных существ. Дело в том, что их не всегда можно даже назвать водорослями, то есть одноклеточными фотосинтезирующими организмами. В определенных условиях эвглены могут терять хлорофилл и питаться точно также, как одноклеточные простейшие животные. При попадании на свет хлорофилл в клетке эвгленовых появляется вновь; таким образом, перед нами – классический образец переходной формы организма, стоящего в данном случае между животными и растениями. В Самарской области альгологами выявлено 10 видов пресноводных эвглен и еще пять – почвенных (рис. 30).

(Подпись к рисунку № 30. Жгутиковые водоросли. Верхний ряд, слева направо: эвгленовые (эвглена зелёная, факус), пирофитовые (ночесветка, цератиум разветвлённый). Нижний ряд – пирофитовые; слева направо: диссодиниум лунный, динофизис норвежский, перидинелла, пророцентрум малый).

Итак, мы убедились, что микроорганизмы – бактерии и водоросли различных типов – совершенно необходимое звено в цепочке жизни на Земле. Кроме того, они в силу крайней простоты своего строения, оказываются, древнейшими организмами планеты. Лишь через сотни миллионов и миллиарды лет после их появления природа создала более сложные – многоклеточные формы жизни.

Валерий ЕРОФЕЕВ.

Список литературы

Водоросли, лишайники и мохообразные СССР. Отв. ред. М.В. Горленко. М., «Мысль», 1978. 365 с.

Гусев М.В., Минеева Л.А. 2003. Микробиология: Учебник для студ. биол. специальностей вузов. — 4-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия». 464 с.

Журавлев Ю.Н. 1983. Доминанты водорослевых сообществ в почвах лесных биогеоценозов степного Заволжья. – В сб. «Вопросы лесной биогеоценологии, экологии и охраны природы в степной зоне». Межведомственный сборник. Под ред. Н.М. Матвеева. Куйбышев, изд-во КГУ, стр. 44-48.

Заварзин Г.А. 1987. Особенности эволюции прокариот //Эволюция и биоценотические кризисы. 1987. М.: Наука, стр. 144-158.

Заварзин Г.А. 1993. Развитие микробных сообществ в истории Земли. 1993. // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, стр. 212-222.

Кондратьева Е.Н. 1996. Автотрофные прокариоты. Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Биология», специальностям «Микробиология», «Биотехнология». — М.: Изд-во МГУ. 302 с.

Лысогоров Н.В. 1968. Когда отступает фантастика. Изд. 2-е, дополненное. М. «Молодая гвардия». 256 с.

Матвеев Н.М. 1978. Значение поглотительной способности почвы и почвенной микрофлоры в изменении активности растительных выделений. – В сб. «Вопросы лесной биогеоценологии, экологии и охраны природы в степной зоне». Межвузовский сборник. Вып. 3. Под ред. Н.М. Матвеева. Куйбышев, изд-во Куйб. гос. ун-та, стр. 35-49.

Овчинникова Т.А. 1980. Аллелопатическое влияние вытяжек из листового опада дуба на развитие почвенной водоросли хлореллы. – В сб. «Вопросы лесной биогеоценологии, экологии и охраны природы в степной зоне». Межведомственный сборник. (Ред. коллегия М.И. Абрамов, Н.М. Матвеев, Д.П. Мозговой, Ю.К. Рощевский). Куйбышев. Куйбышевский государственный университет, стр. 74-78.

Овчинникова Т.А. 1983. Аллелопатическая регуляция численности водорослей в почве дубовых лесонасаждений степного Заволжья. – В сб. «Вопросы лесной биогеоценологии, экологии и охраны природы в степной зоне». Межведомственный сборник. Под ред. Н.М. Матвеева. Куйбышев, изд-во КГУ, стр. 49-52.

Овчинникова Т.А. 1985. Влияние фенольных соединений на развитие культуры почвенных водорослей хлореллы и сценедесмуса. – В сб. «Вопросы лесной биогеоценологии, экологии и охраны природы в степной зоне». Межведомственный сборник. Под ред. Н.М. Матвеева. Куйбышев, изд-во КГУ, стр. 92-96.

Овчинникова Т.А. 1995. Возможности использования показателей динамики почвенной микрофлоры для оценки степени устойчивости почвы. - В сб. «Вопросы экологии и охраны природы в лесостепной и степной зонах». Междунар. межвед. сб. науч. тр. Под ред. Н.М. Матвеева. Самара. Изд-во «Самарский университет», стр. 132-136.

Овчинникова Т.А., Панкратов Т.А., И.В. Пондина И.В. 1996. Ежедневная динамика токсичности почв и ее взаимосвязь с динамикой микробиологических процессов. – В сб. «Вопросы экологии и охраны природы в лесостепной и степной зонах». Междунар. межвед. сб. науч. тр. Под ред. Н.М. Матвеева. Самара. Изд-во «Самарский университет», стр. 232-240.

Розанов А.Ю. 1999. Ископаемые бактерии и новый взгляд на процессы осадкообразования. М.

Розанов A.Ю. 2003. Ископаемые бактерии, седиментогенез и ранние стадии эволюции биосферы. М.

Сергеев B.Н. 2003. Цианобактериальные сообщества на ранних этапах эволюции биосферы. М.

Федонкин М.А. 2006. Две летописи жизни: опыт сопоставления (палеобиология и геномика о ранних этапах эволюции биосферы). М.

Фомин Н.В., Королева Н.Г. 1990. Определение таксономического состава фитопланктона водоемов спектрофотометрическим методом. – В сб. «Социально-экологические проблемы Самарской Луки». Тезисы докладов второй научно-практической конференции (1-3 октября 1990 г., Куйбышев). Куйбышевск. гос. пед. ин-т им. В.В. Куйбышева, Жигулевский гос. заповедник им. И.И. Спрыгина, Куйбышев, стр. 33-35.

Шлегель Г.Г. 1972. Общая микробиология. Пер. с немецкого Е.Н. Кондратьевой и Г.А. Куреллы. Под ред. д-ра биол. наук Е.Л. Рубан. М., изд-во «Мир». 479 с.

Шлегель Г.Г. 2002. История микробиологии: Перевод с немецкого. — М: изд-во УРСС. 304 с.