Справжнє розмаїття життя: що вміють бактерії

Справжнє розмаїття життя: що вміють бактерії

На які групи можна поділити все живе на Землі, звідки живі організми беруть енергію і чим бактерії відрізняються від інших істот.

Хто такі прокаріоти

Клітини бактерій і архей в десять, а іноді й в тисячу разів дрібніші за клітини еукаріотів, тому їх не можна побачити без дуже сильних збільшувальних приладів. І бактерії, і археї, незважаючи на свої малі розміри, можуть бути повністю автономними організмами, тобто забезпечувати себе всім необхідним для життя. Морфологічно вони влаштовані дуже просто, але при цьому здатні на колосальну розмаїтість хімічних реакцій. Саме в цьому сенсі вони набагато більш різноманітні, ніж всі інші істоти на нашій планеті. З точки зору здійснюваних біохімічних реакцій все інше життя всередині двох великих груп — рослин і тварин — дуже близьке між собою, хоч і не схоже зовні.

Всі живі істоти на Землі діляться на три великі групи, або домени: бактерії, археї і еукаріоти. Бактерії і археї — це так звані прокаріоти, їх клітини влаштовані дуже просто, і в них немає ядра. Еукаріоти — це всі інші організми, у яких генетичний матеріал знаходиться в спеціальній структурі — ядрі. Хоча археї і бактерії зовні дуже схожі, за базовими механізмами вони відрізняються один від одного так само, як і від еукаріот. Клітинні мембрани архей, найважливіші метаболічні шляхи і апарат синтезу білка мають свої особливості.

Як прокаріоти отримують енергію

В процесі фотосинтезу рослини використовують енергію світла і беруть вуглець з вуглекислого газу атмосфери для побудови органічної речовини своїх клітин. При цьому утворюється вільний кисень. Тварини і гриби використовують органічну речовину рослин або інших тварин як джерело енергії, але для того, щоб отримати цю енергію, їм потрібен окисник. Як окисник вони використовують кисень. Якщо написати відповідне хімічне рівняння, то вийде процес, зворотний до фотосинтезу. На цих двох процесах будується все життя макросвіту на Землі.

А ось у мікробів джерела енергії дуже різноманітні. Крім світла і органічної речовини (рослини і тварини), бактерії можуть використовувати енергію неорганічних сполук: водню, метану, сірководню, NH4+, Fe2+. А окисником може бути не лише кисень, а й інші сполуки: CO2, SO4-2, S0, Fe+3, NO3-. Наведені списки далеко не повні: молекулярна кухня бактерій надзвичайно різноманітна.

Першим здатність мікроорганізмів використовувати неорганічні сполуки як джерело енергії виявив Сергій Виноградський в кінці XIX століття. В його експериментах сіркобактерії окислювали сірку до сірчаної кислоти. Він назвав цей процес хемосинтезом: якщо фотосинтез — це синтез органічної речовини за рахунок енергії світла, то хемосинтез — те ж саме, але за рахунок багатих на енергію неорганічних сполук. Інша назва хемосинтезу — літотрофія (буквально — «поїдання каміння», тобто неорганічних речовин). Як і фотосинтез, літотрофія (або хемосинтез) може супроводжуватись автотрофією — використанням CO2 для синтезу органічних молекул — спочатку найпростіших, а з них більш складних. На відміну від рослин, у мікроорганізмів є сім різних ферментативних механізмів включення CO2 до складу органічних молекул, причому три з них відкриті зовсім недавно.

Крім використання вуглекислоти для побудови органічної речовини, мікроорганізми (не всі, а лише так звані азотфіксатори) вміють використовувати газоподібний азот для синтезу амінокислот, а потім білків. Це дуже важливий для біосфери процес, оскільки мікроорганізми — єдині живі істоти, які вміють асимілювати молекулярний азот і залучати його в метаболізм. Вони живуть в симбіозі з бобовими рослинами в спеціальних кореневих вузликах. Саме тому бобові можуть рости майже на будь-якому ґрунті. Коли їх біомаса розкладається — знову ж за допомогою мікроорганізмів, — азот у формі амонію надходить у ґрунт і стає доступним для інших рослин. Існують і вільноживучі азотфіксатори, які також збагачують ґрунт амонійний азотом.

Ще один важливий процес — це розкладання целюлози. Целюлоза — головний полімер, що забезпечує жорсткість структури рослин і складається з молекул глюкози, організованих в складну структуру. В деревині вона ще й міцно пов'язана з лігніном. Вищі тварини не можуть розкладати такі сполуки, а ось у бактерій є для цього спеціальні ферменти. У шлунку корови є відділення, де знаходяться мікроби, які розкладають целюлозу. Аналогічні симбіонти є у всіх травоїдних. Вони допомагають їм перетравлювати рослинну їжу.

Взагалі, мікроорганізми можуть багато органічних речовин, наприклад вуглеводи, окислювати в анаеробних умовах — зброджувати або повністю окислювати в ході анаеробного дихання. Людина споконвіку використовує процес бродіння в господарстві: під час квашення капусти, соління огірків, скисання молока, пивоваріння. В ході бродіння утворюються недоокислені продукти: етанол, ацетат, інші спирти і органічні кислоти, а також водень. В природі продукти бродіння можуть окислюватись в результаті анаеробного дихання, при якому використовуються відмінні від кисню окисники. Різноманітні поєднання використовуваних неорганічних донорів і акцепторів електронів роблять мікробів і здійснювані ними процеси важливим компонентом біосфери, завдяки яким відбуваються циклічні перетворення неорганічних сполук.

Бактерії здатні здійснювати безліч різноманітних реакцій, що дозволяє використовувати їх для розкладання ксенобіотиків — речовин, створених людиною і не існуючих в природі. Однак поки далеко не всі пластики розкладаються, і наше завдання — або знайти бактерій, які їх їстимуть, або розробити біодеградуючі пластики, які не накопичуватимуться і забруднюватимуть природу.

Як досліджують мікробів

Як вивчати організми, які неможливо побачити? За зовнішнім виглядом клітин мікроорганізмів в мікроскопі нічого не можна сказати про процеси, які вони здійснюють. Однак ще в XIX столітті Роберт Кох придумав метод, що дозволив дослідити властивості мікроорганізмів. Якщо на агаровому субстраті, що нагадує на вигляд желе, тонким шаром розподілити в правильній концентрації суміш мікробних клітин, вони ростимуть у вигляді окремих острівців, що називаються колоніями. Всі клітини в колонії походять від однієї-єдиної бактерії, тобто в генетичному сенсі вони ідентичні. Їх можна виростити вже в рідкому поживному середовищі. Така популяція однакових клітин називається «чиста культура», і її можна досліджувати як єдиний організм: які речовини вона використовує для росту, які продукти утворює. За допомогою цього методу в ХХ столітті в мікробіології були досягнуті великі успіхи.

Однак з появою можливості визначення послідовностей геномів або їх ділянок ситуація змінилась. Виявилось, що, хоча зараз і описані десятки тисяч видів мікроорганізмів, це тільки 5% від їх реальної різноманітності, а за даними деяких авторів, ще й менше. Як це з'ясувалось? Як вдалось це встановити? Мікробіолог Карл Воуз обрав консервативну ділянку гена 16S рРНК: порівнюючи ці гени у різних мікроорганізмів, можна визначити, як давно розійшлись їх групи. 16S рРНК — один з трьох основних типів рРНК, що утворюють основу рибосом прокаріотів, знаходяться в їх малій (30S) субодиниці. Константа седиментації дорівнює 16S; константи двох інших молекул рівні 5 і 23 S. Довжина 16S рРНК — близько 1600 нуклеотидів. У еукаріотів існують аналогічні рибонуклеїнові кислоти 18S рРНК, що складаються приблизно з 2500 нуклеотидів.

Однак вибір гена 16S рРНК як єдиного філогенетичного маркера, що пояснює походження живих істот, відкрив також й інші можливості. Виявилось, що можна взяти природний зразок — воду, ґрунт, вміст кишечника — і визначити всю різноманітність генів 16S рРНК в мікробному угрупованні цієї проби. Так з'ясувалось, що переважна більшість мікроорганізмів в природних угрупованнях в лабораторних умовах не культивувалась.

Зараз технічні можливості дозволяють взяти пробу і секвенувати всю ДНК, яка там є, — це так зване метагеномне секвенування. В результаті виходить суміш випадкових фрагментів. Потім окремі фрагменти за допомогою спеціальних програм збираються в більш довгі структури — контіги. Для цього вони повинні бути секвеновані багато разів в різних поєднаннях, як мінімум з шестиразовим перекриттям одних і тих же ділянок геному. В результаті в метагеномах можна досліджувати вже не тільки гени 16S рРНК, а й функціональні гени, тобто зрозуміти, яку функцію виконують присутні в угрупованні мікроби, зокрема некультивовані. Для того щоб пов'язати функцію з певним мікроорганізмом, потрібно спробувати зібрати з метагеному повний геном нового організму. Оскільки ДНК у мікробів замкнута в кільце, мета — замкнути його. Тоді вважається, що геном мікроорганізму повністю прочитаний, його можна характеризувати. Безумовно, такий метод має недоліки: з суміші ДНК різних мікроорганізмів можна зібрати химерний геном. Але з кожним роком точність аналізу стає вищою.

Досліджуючи геноми вже відомих культивованих мікроорганізмів, можна виявити у них нові властивості. Наприклад, реакцію взаємодії мурашиної кислоти з водою з утворенням водню і CO2, яка дає мікроорганізму енергію, було передбачено на підставі генетичного аналізу. Під час дослідження аналогічної реакції окису вуглецю з водою, властивої цілому ряду термофільних архей і бактерій, що мешкають в гарячих джерелах, зокрема на дні океану, було встановлено, що у всіх цих мікроорганізмів є певна група ферментів, до складу якої входить СО-дегідрогеназа. А в одному з геномів побачили аналогічну групу, але з форміатдегідрогеназою. І дійсно, вдалось виділити мікробів, що ростуть за рахунок анаеробного перетворення мурашиної кислоти на вуглекислоту і водень, хоча раніше вважалось, що ця реакція не може забезпечувати ріст мікроорганізмів. Це цікаво ще й тому, що в природі в певних умовах мурашина кислота може утворюватись абіогенним шляхом, тобто мікроорганізми можуть рости незалежно від існуючої біосфери, будучи можливими первинними мешканцями стародавньої Землі.

Хто такі екстремофіли і чим цікаві термофіли

Екстремофільні мікроорганізми живуть в умовах, непридатних для існування інших істот: за дуже високих чи низьких температур, високої солоності, при дуже високій або низькій кислотності. Вважається, що термофіли — це найбільш стародавні організми і спільний предок LUCA з великою ймовірністю був термофілом.

Термофіли мешкають в гарячих джерелах, в содових озерах, в глибоководних морських гідротермах — чорних курцях — і в підземних шахтах. Там дуже багато відновлених неорганічних сполук, які можуть служити джерелом енергії для мікроорганізмів, і в першу чергу це водень і сірководень. Водень може використовуватись метаногенними археями для відновлення вуглекислоти, в результаті чого утворюється метан. Інші мікроорганізми — і археї, і бактерії — можуть використовувати водень для відновлення сульфату або сірки, в результаті чого утворюється сірководень. Існують мікроорганізми, здатні використовувати сірку і як донора електрона, і як акцептор: одну молекулу окислювати, а іншу відновлювати. Джерелом вуглецю при цьому є вуглекислий газ.

Існування таких мікроорганізмів в гарячих джерелах дозволяє розглядати їх як сучасні аналоги первинних екосистем Землі, з якими їх об'єднують висока температура, безкисневі умови, присутність неорганічних субстратів вулканічного походження. Відповідно, можна припустити, що перші мікроорганізми були термофілами, анаеробами і хемолітоавтотрофами. Якщо ж міркувати про життя на інших планетах, то можна припустити існування саме таких мікробних угруповань, які розвиваються не на поверхні, а в глибині, де вони надійно захищені від впливу жорсткого ультрафіолетового випромінювання. Найбільш ймовірними джерелами енергії і окисниками є водень і вуглекислота. Тоді продуктом життєдіяльності мікроорганізмів може бути метан або оцтова кислота. За останніми даними, на Марсі виявили сезонні коливання метану, а це може бути ознакою його біогенного походження.

 

 

Коментарі

Ввійдіть або зареєструйтесь, щоб залишати коментарі.
Читайте також
Джерела діоксинів

Діоксини ніхто не розробляв в якості хімічної зброї, їх не використовували для сільського господарства в якості гербіцидів. Вони виникли в результаті хімічного виробництва як побічний продукт, створення якого ніхто не мав на меті. Продовжуючи серію публікацій про діоксини спробуємо детальніше проаналізувати джерела їх виникнення і з'ясувати походження діоксинів у навколишньому середовищі.

X

Вхід

Завантажую...