Динамика экосистем. Экологические сукцессии, их причины Бактерии как типичные представители прокариот

К гетеротрофным относятся те сукцессии, которые протекают в субстратах, где отсутствуют живые растения (продуценты), а участвуют лишь животные (гетеротрофы). Этот вид сукцессий  имеет место только до тех пор, пока присутствует запас готового органического вещества, в котором сменяются различные виды организмов-разрушителей. По мере разрушения органического вещества и высвобождения из него энергии сукцессионный ряд заканчивается, система распадается. Таким образом, эта сукцессия по природе своей деструктивна. Примерами гетеротрофных являются сукцессии, имеющие место, например, при разложении мертвого дерева или животного. Так, при разложении мертвого дерева можно выделить несколько стадий смен гетеротрофов. Первыми на мертвом, чаще ослабленном дереве поселяются насекомые-короеды. Далее их сменяют насекомые, питающиеся древесиной (ксилофаги). К ним относятся личинки усачей, златок и др. Одновременно идут смены грибного населения. Они имеют примерно следующую последовательность: грибы-пионеры (обычно окрашивают древесину в разные цвета), грибы-деструкторы, способствующие появлению мягкой гнили, и грибы-гумификаторы, превращающие часть гнилой древесины в гумус. На всех стадиях сукцессий присутствуют также бактерии. В конечном счете органическое вещество в основной массе разлагается до конечных продуктов: минеральных веществ и углекислого газа. Гетеротрофные сукцессии широко осуществляются при разложении детрита (в лесах он представлен лесной подстилкой). Они протекают также в экскрементах животных, в загрязненных водах, в частности, интенсивно идут при биологической очистке вод с использованием активного ила, насыщенного большим количеством организмов. (9)

 

 

 

            2. Бактерии как типичные представители прокариот

2.1 Бактерии - типичные прокариоты

Существует предположение, что  все ныне живущие организмы произошли  из единственной, возникшей несколько  миллиардов лет назад первобытной  клетки. Пережив своих конкурентов, эта клетка положила начало процессу клеточного деления и эволюции, который в конце концов создал зеленый покров Земли, изменил состав ее атмосферы и сделал ее родиной разумной жизни. Видимо, только так можно объяснить «фамильное сходство» между всеми организмами. На эволюционном пути имеется важная веха. Приблизительно 1,5 млрд. лет назад произошел переход от маленьких клеток со сравнительно простой внутренней структурой (так называемых прокариот, к которым относятся различные бактерии) к большим по размеру и значительно более сложно устроенным эукариотическим клеткам, подобным клеткам высших животных и растений. (10)

        Бактерии - наиболее простые организмы, обнаруженные в большинстве природных сред обитания. Это - сферические или удлиненные клетки обычно размером в несколько микрометров. В электронном микроскопе содержимое таких клеток имеет вид матрикса различной плотности без явно выраженных организованных внутренних структур.

Бактерии малы и способны быстро размножаться путем простого бинарного  деления. При избытке питательных  веществ «выживание наиболее приспособленных» обычно означает выживание тех, которые быстрее всех делятся. В оптимальных условиях прокариотическая клетка может делиться каждые 20 минут и, таким образом, образовывать до 5 млрд. клеток (что приблизительно равно населению земного шара) менее, чем за 11 часов. Благодаря способности быстро делиться бактериальные популяции с легкостью адаптируются к изменениям окружающей среды. Например, в лабораторных условиях популяция бактерий, поддерживаемая в большом сосуде, за несколько недель благодаря спонтанным мутациям и естественном} отбору приобретает способность использовать в качестве источника углерода новые типы Сахаров.

В природе бактерии занимают невообразимое  множество экологических ниш, и  столь же многообразным оказывается  их биохимическое строение. (10)

 Бактерии — это типичные прокариотические клетки. Бактериальная клетка окружена клеточной стенкой, представляющей собой «мешок», в котором заключено клеточное содержимое. На поверхности клеточной стенки у бактерий могут располагаться жгутики. Отличительным признаком ряда бактериальных видов является капсула, расположенная снаружи от клеточной стенки. Главная особенность строения бактерий — отсутствие оформленного ядра, ограниченного оболочкой. Основное вещество бактериальных клеток представлено цитоплазмой. Цитоплазма имеет собственную цитоплазматическую мембрану, впячивания которой называют мезосомами. В цитоплазме располагаются ядерная область, рибосомы, осуществляющие синтез белков, и различные включения в виде гранул гликогена, липидов, метахроматина, серы. Наследственная информация у бактерий заключена в одной хромосоме. Бактериальная хромосома состоит из одной молекулы ДНК, имеет форму кольца, погружена в цитоплазму и представляет собой ядерную область бактериальной клетки. Все ферменты, обеспечивающие процессы жизнедеятельности бактерий, диффузно рассеяны по цитоплазме или прикреплены к внутренней поверхности мембраны. Прокариотические клетки имеют простую структуру, но различаются по биохимическим свойствам (10)

В обобщенном виде классификации мира растительных организмов начинают с разделения его на надцарство доядерные организмы (Procaryota) и надцарство настоящие ядерные организмы (Eucaryota).

Организмы, которые появились первыми, современная  наука называет прокариотами. Это  одноклеточные существа, отличающиеся относительной простотой строения и функций. К ним относятся бактерии и синезеленые водоросли (цианобактерии). О простоте их организации свидетельствует, например, имевшийся у них небольшой объем наследственной информации. Для сравнения: длина ДНК современной бактерии, кишечной палочки, составляет 4·10⁶ пар нуклеотидов. Не больше ДНК было, по-видимому, и у древних прокариот. Названные организмы господствовали на Земле более 2 млрд. лет. С их эволюцией связано появление, во-первых, механизма фотосинтеза и, во-вторых, организмов эукариотического типа.(12)

 

        

Филогенетическое дерево организмов. Показано полифилетаческое (независимое в разных группах) возникновение многоклеточности.(11)

     К доядерным организмам-прокариотам относятся простейшие одноклеточные организмы  их называют бактериями или микробами и синезеленые водоросли.

            К этому надцарству относят микроскопические организмы, тело которых представлено слоевищем, или талломом, не расчлененным ни на корень, ни на стебель, ни на листья. У них нет ядерной мембраны и организованного ядра. У них нет также стадии эмбрионального развития. Прокариотами являются в основном одноклеточные организмы. К ним относят и некоторые колониальные формы. Одноклеточные организмы растительной природы вместе с одноклеточными животными составляют значительную часть биомассы Земли.

Генетический  материал у прокариотов представлен  молекулой ДНК, находящейся в  ядерной (центральной) зоне. Размножаются прокариоты путем простого деления, хотя у некоторых из них отмечается наличие аналога полового процесса в виде конъюгации.

Прокариоты  не обладают ни хлоропластами, ни митохондриями. У них нет комплекса Гольджи  и центриолей, но есть рибосомы. Характерной  особенностью прокариот является наличие у них клеточной стенки. Известны подвижные формы этих организмов.

Некоторые прокариоты способны к фиксации азота  атмосферы, но не способны к жизни  в отсутствие кислорода (анаэробы).

Доядерные организмы выделяют лишь одно царство  — царство дробянок, которое классифицируют далее на подцарства Архебактерии, Настоящие бактерии и Оксифотобактерии (7)

Подцарство  Архебактерии. Организмы этого подцарства представлены метаногенными, галофильными и серозависимыми бактериями. Известно около 50 видов архебактерий. Выделяя здесь эту группу организмов в самостоятельное подцар-ство нельзя не отметить, что многие биологи классифицируют архебактерий в качестве самостоятельного царства (кроме царств растений и животных).

Метаногенные  бактерии образуют метан путем восстановления диоксида углерода молекулярным водородом. Метан является основным продуктом их метаболизма. Считают, что весь метан биогенного происхождения на Земле образован деятельностью метаногенных бактерий. Их ежегодная производительность составляет около 1,0 х 10⁹ т метана.

Эти бактерии обитают в строго анаэробных условиях в иле водоемов, в болотах  и других местах, а также в желудочнокишечном  тракте человека и животных. Особенно много их в рубце жвачных.

Галобактерии  — это обитатели горячих соленых  водоемов. Благоприятной для них является среда, которая содержит Na в количестве 20—30%, т. е. является насыщенным раствором.

Серозависимые бактерии являются обитателями горячих  кислых водоемов и почв, вулканических  расщелин. Образование месторождений  серы обязано серозависимым бактериям.

В отличие от большинства настоящих  бактерий для архебактерий характерен ряд особенностей. Например, плазматическая мембрана архебактерий имеет однослойную  структуру, а в пептидогликане их клеточных стенок в отличие от клеточных стенок настоящих бактерий отсутствует муреин.

Уникальностью характеризуются также мембранные липиды архебактерий, ибо они не содержат эфиров глицерина и жирных кислот, но содержат изопреноидные  углеводороды, которые обычно встречаются  в нефти.

В ДНК некоторых архебактерий отмечается наличие повторяющихся последовательностей азотистых оснований, чего нет у настоящих бактерий. У галофилов обнаружен родопсиноподобный белок, обычно содержащийся в зрительном пурпуре многих позвоночных.

Схема синтеза белков, осуществляемого архебактериями, является такой же, как и у настоящих бактерий, однако в РНК этих организмов нет ни тимина, ни урацила. Последний представлен псевдоуридином. Есть также отличия и в структуре РНК.

Перечисленные особенности делают архебактерии по существу промежуточной формой между растениями и животными, что и явилось основанием для некоторых ученых к выделению их в самостоятельное царство.

Однако  следует заметить, что многие ученые не разделяют эту точку зрения. Большинство специалистов классифицируют архебактерии в рамках подцарства.

Среди архебактерии встречаются как аэробы, так и хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Архебактерии играют важную роль в  природе.

Классификация архебактерии еще плохо разработана.

Архебактерии  являются древнейшими прокариотами. Возможно, что они были самыми первыми организмами на Земле.

Подцарство  Настоящие бактерии. Бактерии являются одноклеточными микроскопическими  организмами, размеры которых измеряются микронами. На основе метода окраски  по Граму различают грамположительные и грамотрицательные бактерии. В зависимости от формы среди бактерий различают бациллы, стафилококки, диплококки, стрептококки, вибрионы, спириллы (рис.). Бактерии многих видов подвижны, обладая жгутиками или ресничками.

Бактерии  содержат почти все структурные элементы, которые характерны для клеток растений и животных. Однако в отличие от клеток растений и животных бактерии не обладают хлоропластами (митохондриями), центриолями, ядерной мембраной, ядрышком.

Бактерии  являются обитателями практически  всех экологических ниш.

Размножение бактерий происходит путем простого деления . У бактерий многих видов  открыта конъюгация, являющаяся аналогом полового процесса и зависимая от содержания в них плазмид. Бактерии, обладающие плазмидами, служат в качестве доноров генетического материала. Бактерии, не обладающие плазмидами, являются реципиентами этого материала.

Большинство бактерий является гетеротрофами, а  часть их является автотрофами или  хемосинтезирующими. Бактерии многих видов являются аэробами, но встречаются и анаэробы.

Значение  бактерий в природе очень велико. Они вызывают брожение, гниение, а  также минерализацию органических веществ, результатом деятельности бактерий является накопление карбонатов, сульфидов, фосфатов, бокситов, образование  железных руд и т. д. Клубеньковые бактерии, колонизируя корневые клубеньки бобовых растений, усваивают азот атмосферы благодаря наличию в них специальных органелл — симбиосом. Из симбиосом азот в форме NHg или NH4⁴' под действием бактериального мембранного белка транспортируется затем в клетки растений.                                                                         

 

                                   . Морфологические формы бактерий:

1 – стафилококки; 2 – стрептококки; 3 – диплококки; 4 – бациллы; 

5 – спириллы; 6 – капсульные бациллы и кокки; 7 – жгутиковые бациллы

 

Бактерии  широко используют в практике. Например, бактерии молочного брожения используют в производстве молочнокислых продуктов, а также в консервировании  овощей, силосовании кормов для животных.

Известны также виды бактерий, являющиеся продуцентами антибиотиков. Бактерии используют в генной инженерии для клонирования и поддержания в них векторных молекул ДНК (плазмид) и гибридных молекул ДНК.

Многие  виды бактерий являются возбудителями  бактериальных болезней человека, животных и растений. Наиболее известными бактериальными болезнями человека являются дизентерия, чума, холера, дифтерия и другие. У человека и животных бактерии вызывают туберкулез, бруцеллез, сибирскую язву и другие болезни.

Бактерии  являются древнейшими обитателями Земли. Однако их происхождение не совсем ясно. Предполагают, что они произошли от самых примитивных организмов, называемых прогенотами и оцениваемых в качестве предшественников прокариот. Но сведения о строении и функциях прогенот отсутствуют и это мешает установлению действительных связей между прогенотами и бактериями.