Лекція на тему: «ПРОКАРІОТИЧНІ ОРГАНІЗМИ: АРХЕЇ ТА БАКТЕРІЇ. ОСОБЛИВОСТІ ЇХНЬОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ ТА ФУНКЦІОНУВАННЯ»

Ковельський фаховий медичний коледж

Волинської обласної ради

 

 

                                 

 

Методична розробка

заняття по темі:

 

 

«Прокаріотичні організми: археї та бактерії. Особливості їхньої організації та функціонування»

 

                                                                                 

 

 

                                                                                 

                                                                                Підготували викладачі

                                                                       біології і екології

                                                                  Михалик І. П.

                                                                      Наконечна С. В.

 

 

 

 

 

 

 

Тема :  Прокаріотичні організми: археї та бактерії. Особливості їхньої організації та функціонування.

 

Мета заняття:

• освітня: розглянути особливості організації та функціонування архей та бактерій;
• розвивальна: навчити порівнювати археї та бактерії, аналізувати їхні схожі риси та відмінності;
• виховна: застосовувати знання про процеси життєдіяльності бактерій для профілактики інфекційних хвороб, запобігання бактеріальним захворюванням.

Обладнання і матеріали: таблиці або електронні зображення «Будова прокаріотичної клітини», «різноманіття бактерій», «Ціанобактерії».

Базові поняття і терміни: прокаріоти, археї, бактерії.

Тип заняття: засвоєння нових знань.

Ключові компетентності:

Спілкування державною мовою:

Студент :

     уміє ставити запитання і розпізнавати проблему;

     міркувати, робити висновки на основі інформації, поданої в різних формах (у текстовій формі, таблицях, діаграмах, на графіках);

     має здатність розуміти, пояснювати і перетворювати тексти задач (усно і письмово)

     грамотно висловлюватися рідною мовою

 

Інформаційна компетентність:

Студент :

     уміє адаптуватися до різних життєвих ситуацій;

     працювати з інформацією;

     самостійно здобуває необхідні предметні знання для виконання практичних робіт;

     розвиває здібності до адаптації в мінливому інформаційному середовищі.

 

Математична компетентність:

Студент:

     уміє оперувати текстовою та числовою інформацією;

     самостійно розв’язує задачі, зокрема практичного змісту;

     має здатність будувати і досліджувати найпростіші математичні моделі реальних об'єктів, процесів і явищ;

     інтерпретує  та оцінює результати.

Комунікативна компетентність:

Студент : 

     виявляє гнучкість, мобільність, проникливість, толерантність, творчу ініціативність;

     критично мислить;

     виявляє комунікабельність у різних соціальних групах;

     самостійно працює над розвитком власного інтелекту, культури.

Здоров’язбережувальна компетентність

Студент :

     здатність застосовувати в умовах конкретної ситуації сукупність здоров'язбережувальних компетенцій, дбайливо ставиться до власного здоров'я та здоров'я інших людей

 

Хід заняття

 

1. Організаційний  етап
2.  Актуалізація опорних знань студентів.

 

1. Вправа на концентрацію уваги «Впізнай форму життя!»

 

1. Існують організми, у яких усі функції живого виконує одна клітина.

2. У них немає оформленного ядра і багатьох інших органел.

3. Ці організми мають малі розміри (тому вони дістали назву мікроорганізми) та збереження генетичного матеріалу у формі кільцевої молекули ДНК (нуклеотиду).

4. Їх вивчає наука мікробіологія.

5. До них належать бактерії та ціанобактерії, які раніше називали синьо-зеленими водоростями. Що це за організми?

        

  Висновок: ПРОКАРІОТИ

 

 ІІI. Мотивація вивчення навчального матеріалу.

 

Ці організми вважаються одними з найдавніших організмів на Землі. Вони населяють, переважно, середовища з екстремальними умовами. За організацією є примітивними прокаріотами, але при цьому генетично ближчі до еукаріотів і є їхніми безпосередніми предками. Хто ж ці дивовижні одноклітинні?

 

   

ІV. Вивчення нового матеріалу.

 

План:

1 . Особливості будови  архей, бактерій та еукаріотів.

2.  Процеси метаболізму характерні для архей.

3.  Поширення архей.

4.  Особливості будови  бактерій.

5.  Горизонтальне перенесення генів між організмами різних видів.

6.  Взаємодія бактерій між собою та іншими організмами.

1 . Особливості будови  архей, бактерій та еукаріотів.

 Які особливості відрізняють архей від бактерій та еукаріотів?

АРХЕЇ (Archaea) – прокаріотичні одноклітинні мікроорганізми з біохімічними особливостями, що відрізняють їх від бактерій та еукаріотів. Це найдавніші організми, предки яких з’явилися на Землі близько 3,8 млрд років тому. Розміри архей – від 0,4 до 15 мкм у діаметрі. Найменшими серед археїв є наноархеї (0,4 мкм), які паразитують в клітинах інших архей.

Археї були відкриті у 1977 році К.  Воузом.

Археї мають свою незалежну еволюційну історію і характеризуються багатьма рідкісними властивостями, що відрізняють їх від бактерій та еукаріотів. Які ж це особливості?

1. Геном археїв представлений дволанцюговою ДНК у нуклеоїді та кільцевими плазмідами. Містить білки-гістони, унікальні інтрони, що відрізняються від еукаріотичних. Гени тРНК та рРНК археїв різняться між собою специфічним складом й послідовністю нуклеотидів.

2. Клітинна оболонка архей не містить муреїну, в багатьох видів утворена поверхневими білками (так званий S-шар) та псевдомуреїном. Оболонка здійснює ефективний захист, і тому, можливо, археї ніколи не утворюють спор для існування за несприятливих умов, як то є у бактерій.

3. Клітинні мембрани різняться структурою й хімічним складом, що визначають їхню більшу стійкість за екстремальних умов існування. У археїв мембрани одношарові, утворені з особливих фітанолгліцеридів, а не фосфоліпідів, як в інших клітинних організмів.

4. Рухи забезпечуються джгутиками, відмінними від джгутиків бактерій: ростуть шляхом приєднання субодиниць флагеліну від основи, джерелом енергії для їхнього руху є АТФ тощо.

5. Розмноження нестатеве (бінарний поділ, множинний поділ, фрагментація й

брунькування).

6. Живлення хемоавтотрофне й хемогетеротрофне з використанням найрізноманітніших джерел енергії: світла, органічних сполук, амоніаку, йонів металів, водню та ін. Археям притаманні унікальні метаболічні процеси: бактеріородопсиновий фотосинтез і метагенез.

Отже, археї є самостійним доменом живої природи і відрізняються від

бактерій й еукаріотів низкою ознак на молекулярному рівні організації.

2.  Процеси метаболізму характерні для архей.

Які особливі процеси метаболізму характерні для архей?

На початкових етапах розвитку життя археї були домінуючими формами життя і відігравали ведучу роль у біологічній міграції елементів. У ті часи особливе значення мали процеси отримання енергії за умов високого вмісту молекулярного водню й відсутності кисню та органічних речовин. Ці процеси збереглися в архей до теперішнього часу.

Метагенез – процес отримання енергії у безкисневих умовах з утворенням

метану. Серед метаногенних архей є автотрофні види, які здатні до фіксації вуглекислого газу, й гетеротрофні види, які продукують метан завдяки здатності до метанового бродіння. Автотрофним археям-метаногенам для життя достатньо водню, вуглекислого газу й води. Унікальна в живому світі реакція синтезу метану слугує для них джерелом енергії для синтезу власних органічних сполук:

CO2  + 4 H2 → CH4  + 2H2O + Е

Ці істоти можуть виживати навіть в умовах Марсу чи Венери. Близько 1,5 %

Карбону, що бере участь у біосферному колообігу, проходить через стадію метану за участі метаногенних архей. Утворення метану відбувається на дні морів й прісних водойм, у болотах, ґрунтах тундри й рисових полів. Метаногени є внутрішньоклітинними симбіонтами деяких твариноподібних організмів, входять до складу кишкової мікрофлори, термітів, жуйних тварин, приматів й людини.

Бактеріородопсиновий фотосинтез відкритий у солелюбних архей-галофілів, які мають фіолетовий світлочутливий пігмент – бактеріородопсин. Галофіли існують за рахунок використання органічних сполук, вони можуть рости за наявності кисню й без нього. За відсутності кисню й наявності яскравого світла в них утворюються пурпурові фотомембрани, що містять пігмент, подібний до людського родопсину. За участі цього пігменту енергія світла перетворюється в енергію АТФ, що допомагає їм пережити періоди нестачі кисню. Галофільні археї є основою екосистем з екстремальними умовами життя. Так, у водах Мертвого моря в складі бактеріальних матів виявлено 20 видів солелюбних архей. Там їхня кількість досягає десятків мільйонів клітин на 1 мл.

Отже, археї у наш час посідають у біосфері своєрідне місце, здійснюючи метаболічні процеси в умовах, недоступних для інших організмів.

3. Поширення архей.

Де поширені археї?

Археї поширені повсюдно – від гідротермальних джерел, кратерів вулканів, й дна Північного Льодовитого океану до травної системи людини й термітів. На сьогодні описано вже понад 50 видів археїв, адаптованих до найрізноманітніших умов. За оцінками вчених, археї у сучасній біосфері становлять близько 20 % від її загальної біомаси .

Представники архей: 1 - нітрозопумілус, який має паличкоподібну форму;2 - метанобревібактер Сміта - найпоширеніша метаногенна архебактерія кишечнику людини; 3 - сульфолобус, якого атакують бактеріофаги; 4 -галоквадратум, який можежити в дуже солоній воді

Відомо, що серед архей є велика кількість видів-екстремофілів, які живуть за дуже високих температур, часто вище від 100 °C, як ті, котрих знайшли в гейзерах і чорних курцях (так звані археї-термофіли). Інших виявлено в надзвичайно солоному (археї-галофіли), кислому (археї-ацидофіли) або лужному (археї-алкалофіли) середовищі.

 Так, архея піролобус (Pyrolobus fumarii) живе біля підводних гідротермальних джерел, температура води яких +106 °C і рН 5,5. Вижити за таких умов вони можуть завдяки особливостям клітинних мембран та великій кількості нуклеотидних пар гуанін – цитозин, сполучених трьома водневими зв’язками.

Ще одна архея метанопірус (Methanopyrus kandleri) існує за температури +122 °C.

Архея термококус (Thermococcus gammatolerans) витримує впливи радіації, що перевищують летальну дозу для людини в 3 000 разів.

Серед архей є й види-мезофіли, які живуть за звичайних умов водного чи

ґрунтового середовища. Багато археїв є симбіотрофними видами різних організмів.

Так, мутуалістичні метаногенні археї беруть участь у розщепленні целюлози

в кишечнику термітів та жуйних тварин. Описано види архей-коменсалів,

які живуть на шкірі, у травній системі людини.

4. Особливості будови  бактерій.

Чим бактерії відрізняються від архей?

БАКТЕРІЇ (Bacteria) – прокаріотичні одноклітинні мікроорганізми. В процесі еволюції бактерії адаптувались до життя у ґрунті, воді, повітрі, на поверхні й у всередині живих організмів. Бактерії є найчисельнішими й найпоширенішими організмами нашої планети.

У них:

     проста будова клітини

     високі темпи розмноження

     велика різноманітність типів й способів живлення

     здатність впадати у анабіоз (стан організму, за якого біологічні процеси в ньому припиняються або настільки сповільнені, що відсутні всі видимі прояви життя).

     утворювати спори для перенесення несприятливих умов

     висока мінливість завдяки мобільним генетичним елементам та горизонтальному перенесенню генів

     наявність механізмів захисту від вірусів та ін.

Особливості будови клітин бактерій.

 

Пригадайте, що собою становлять клітини прокаріотів та які їхні основні відмінності від клітин еукаріотів?

 

Ознаки	Бактерії	Еукаріоти
1. Зовнішня клітинна мембрана 2. Ядро вкрите ядерною мембраною 3. Генетичний апарат 4. Ендоплазматична сітка 5. Рибосоми 6. Клітинний центр 7. Мітохондрії 8. Комплекс Гольджі 9. Лізосоми 10. Джгутики	Є (муреїн) Немає Одна нитка ДНК Немає Є Немає Немає Немає Немає Є	Є Є Парні хромосоми Є Є Є Є Є Є Є

 

На сучасному етапі відбувається переважно біохімічна еволюція, завдяки чому вони здатні опановувати нові екологічні ніші, виробляючи нові ферменти для засвоєння нових поживних речовин.

В сучасній системі органічного світу ці організми поєднані в домен Бактерії.

Особливості організації та функціонування Архей.

 

 Наприкінці 1970-х років групою вчених під головуванням Карла Вейза із Ілінойського університету (США), після детальних досліджень рибосомальної РНК різних прокаріотів, було оголошено про відкриття живих істот, які дуже відрізняються від усіх інших.

Систематика архей. 

     Однак знадобилось ще  два десятиліття їх було виокремлено у новий

домен Археї. Вчені виділяють серед них дві великі групи — протеоархеї та еуархеї. До групи протеоархей належать нещодавно (2015 року) відкриті локіархеї. Їх вважають групою, яка є предковою для еукаріотів.

     Фома клітин архей.

Археї є одноклітинними орґанізмами, зовні схожими на бактерій, однак із доволі незвичною формою клітини, наприклад, деякі їх види мають вигляд куба, паралелепіпеда, а декотрі навіть амеби. Одначе, найбільш типовими є паличкоподібні та сферичні форми клітин.

     Розміри клітин архей.

Археї є дрібними істотами, найменші із них досягають 50 мікрометрів у довжину, а найбільші – 150 мкм.

     Вчені вважають Археїв дуже давніми орґанізмами, однак, прямих

доказів цього не існує. Низка непрямих фактів, як то особливості їх будови та метаболізму, наводять на думку, що Археї виникли приблизно у той же час, що і бактерії, можливо трохи пізніше.

 

Характерні ознаки архей

Ознака	Археї	Особливості будови, процесів
Кількість клітин	Тільки одноклітинні
Будова клітинної мембрани	У археїв мембрани одношарові, утворені не фосфоліпідів, як в інших клітинних організмів.	Клітинні мембрани різняться структурою й хімічним складом, що визначають їхню більшу стійкість за екстремальних умов існування
Клітинна стінка	Складається із псевдомуреїну таспецифічних білків.	Оболонка здійснює ефективний захист, і тому, можливо, археї ніколи не утворюють спор для існування за несприятливих умов, як це є у бактерій
Особливості геному	Геном археїв представлений дволанцюговою ДНК у нуклеоїді та кільцевими плазмідами. Містить білки-гістони.	Розмноження нестатеве (бінарний поділ, множинний поділ, фрагментація й брунькування)
Органели	Мають прокаріотичну будову клітини (з цитоплазматичних органел — лише нуклеоїд та рибосоми)	Археї відрізняються від бактерій особливостями РНК та біохімімічними процесами.
Особливості джгутиків	джгутик є суцільною білкової ниткою, обертається ліворуч, росте від основи, рухається з використанням енергії АТФ;	Рухи забезпечуються джгутиками, відмінними від джгутиків бактерій
Живлення.	Хемоавтотрофне й хемогетеротрофне з використанням найрізноманітніших джерел енергії: світла, органічних сполук, амоніаку, йонів металів, водню та ін.	Археям притаманні унікальні метаболічні процеси: бактеріородопсиновий фотосинтез і метагенез

 

 

Значення архей для людини

Значення для людини	Приклад
Нещодавно, вчені відкрили антибіотики, які виробляють Археї.	Ці речовини суттєво відрізняються від грибних і синтетичних, тому успішно можуть бути застосовані у боротьбі із багатьма недугами людини.
Є частиною мікробіоти кишечнику людини	Метаногенні архебактерії товстого кишечнику
Важливе джерело ферментів, які використо- вуються в наукових дослідженнях і промисловості	ДНК-полімеразу архебактерій, які живуть у гарячих джерелах, використовують для полімеразної ланцюгової реакції
Збагачення руд металів під час видобування	Архебактерій використовують для видобутку золота, міді й кобальту
Виробництво продуктів харчування за високих температур	Ферменти архей використовують у виробництві молока з низьким умістом лактози, яке відбувається за високої температури

5. Горизонтальне перенесення генів серед архей та бактерій

Статеве розмноження у бактерій відсутнє, оскільки не утворюються гамети і не відбувається злиття клітин. Але найголовніша подія статевого відтворення, а саме обмін генетичним матеріалом, в наявності. Суттєву роль у цьому процесі відіграє горизонтальне перенесення генів між організмами різних видів.

Горизонтальне перенесення генів – процес, в якому організм передає генетичний матеріал іншому організму, який не є його нащадком. Серед архей та бактерій горизонтальне перенесення генів досить звичайне, навіть між віддаленими видами. Завдяки цьому явищу у доядерних організмів забезпечується комбінативна мінливість і здатність пристосовуватися до умов довкілля.

Існують три загальні механізми горизонтальної передачі генів:

     трансформація

     трансдукція

     кон’югація.

Трансформація (лат. transformatio  – перетворення) – передача генетичного від донора до реципієнта за допомогою ізольованої ДНК. При трансформації не потрібен безпосередній контакт між клітиною-донором і клітиною-реципієнтом.

Кон’югація (лат. conjugatio – поєднання) – передача генетичного матеріалу від клітини-донора в клітину-реципієнта при безпосередньому контакті клітин. Необхідною умовою кон'югації є наявність в клітині-донорі плазміди.

Трансдукція (від лат. transductio – переміщення) – передача генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої за допомогою віруса. Явище трансдукції відкрите американськими вченими Д. Ледербергом і Н. Циндером у 1952 році.

Отже, розмноження архей та бактерій відбувається нестатево, а визначальним процесом комбінативної мінливості є горизонтальне перенесення генів.

6.  Взаємодія бактерій між собою та іншими організмами

Як бактерії взаємодіють між собою та з іншими організмами?

Часто бактерії співпрацюють, формуючи  біоплівки  та змінюючи швидкість росту завдяки відчуттю кворуму. Ці взаємини можуть бути істотними для зростання всієї групи організмів.

Біоплівки (біофільми) – спільний слизовий шар із зануреними у нього колоніями бактерій. Біоплівки захищають їх від несприятливих умов середовища, а також забезпечують умови для обміну між окремими клітинами поживними речовинами, ДНК, ферментами, продуктами життєдіяльності тощо. Біоплівки утворюють спільне стабільне середовище існування бактерій, завдяки чому останні можуть виживати у дуже важких і малопридатних для інших орґанізмів умовах. Перебуваючи в угрупованнях бактерії спілкуються і координують свою поведінку за рахунок секреції молекулярних сигналів.  Це явище називається відчуття кворуму. Його вперше спостерігали у біолюмінецсентної бактерії (Vibrio fischeri), що живе як симбіонт у світлових органах-фотофорах одного з видів гавайських кальмарів.

Взаємозв’язки між бактеріями й іншими організмами можуть бути симбіотичними та антибіотичними.

Пригадаємо, що найпоширенішими видами симбіозу є мутуалізм, коменсалізм, паразитизм.

• Прикладами мутуалістичних взаємовідносин у бактерій є:

 а) відносини між водневими анаеробними бактеріями, які споживають органічні кислоти і виробляють Н2, та метаногенними археями, які його споживають;

б) співіснування бульбочкових бактерій і коренів бобових рослин (бактеріориза);

в) співіснування з організмом людини молочнокислих бактерій.

• Прикладом коменсалізму можуть бути відносини організму людини з біфідобактеріями й кишковою паличкою.

 

• Прикладом паразитизму є співіснування хвороботворних бактерій (чумна паличка, холерний вібріон, золотистий стафілокок, туберкульозна паличка) з організмом людини чи тварин.

Антибіозом є взаємовідносини, за яких спостерігається пригнічення розвитку або повне відмирання одних видів під впливом продуктів обміну, які утворюються іншим видом. Найчастіше ці продукти називають антибіотиками. Так, Луї Пастер ще в 1877 році описав конкуренцію бактерій грунту і бактерій – збудників сибірської язви. Є серед бактерій і справжні хижаки. Такими є бактерії бделовібріони, тератобактери, диктіобактери та ін.

Отже, взаємовідносини між бактеріями й організмами в різних угрупованнях є складними, динамічними й залежними від змін умов середовища.

V. Узагальнення, систематизація знань і умінь студентів

Метод «Мікрофон»

1. Хто такі археї?

2. Що таке метагенез?

3. Що таке бактеріородопсиновий фотосинтез?

4. Хто такі археї-екстремофіли?

5. Наведіть приклади симбіозу серед архей.

6. Які особливості відрізняють архей від бактерій та еукаріотів?

7. Які особливі процеси метаболізму характерні для архей?

8. Де поширені археї?

9. Оцініть значення архей для існування біосфери.

10. Назвіть способи розмноження прокаріотів.

11. Що таке горизонтальне перенесення генів?

12. Що таке біоплівки?

13Наведіть приклади симбіозу та антибіозу між бактеріями

14. Які особливості відрізняють архей від бактерій та еукаріотів?

15. Назвіть способи розмноження та обміну спадковою інформацією у бактерій.

16. Як бактерії взаємодіють між собою та з іншими організмами

17. Оцініть позитивне й негативне значення бактерій для організму людини.

Самостійна робота з таблицею

Назвіть особливості будови й життєдіяльності архей та заповніть у зошиті таблицю «Особливості організації та функціонування архей». Що є причиною особливостей організації архей?

Особливості організації та функціонування архей

Ознака	Особливості
Поверхневий апарат
Цитоплазма
Нуклеоїд
Живлення
Дихання
Рух
Розмноження
Спороутворення

 

Самостійна робота з таблицею

За допомогою таблиці на конкретних прикладах (галоквадратум і кишкова паличка) порівняйте архей та бактерій. Сформулюйте висновок про причини подібності та відмінностей.

Ознака	Археї	Бактерії
Кількість видів
Клітинна оболонка
Клітинні мембрани
Живлення
Особливості геному
Утворення спор

 

VI. ПІДСУМОК ЗАНЯТТЯ

Виставлення оцінок. Коментарі помилок. Пояснення, на що треба звернути увагу при вивченні цієї теми.

 

VII. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Опрацювати §9, 10 с. 34- 41. Відповісти письмово на запитання 7-10 с.40,44.