Прокаріотичні організми

Урок № 13-14

Тема: Біорізноманіття.

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

 

 

План:

1. Різноманітність одноклітинних організмів.
2. Тридоменна система живого світу.
3. Особливості організації та функціонування Бактерій .
4. Особливості організації та функціонування Архей.

 

 

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?

 

1. Різноманітність одноклітинних організмів.

      Одноклітинний  організм – це цілісний організм, якому притаманні всі прояви життя (обмін речовин, енергії, рух, ріст, розмноження, подразливість, живлення, дихання та інші.     

Розрізняють:

• Одноклітинні прокаріоти;
• Одноклітинні еукаріоти;
• Одноклітинні, що утворюють колонії.

Прокаріоти – доядерні організми.

 

      Прокаріоти (від грецького про – попереду, раніше і каріон – горіх, ядро) – доядерні організми, які на відміну від  еукаріот не мають типово сформованого ядра й ядерної мембрани.

2 .Тридоменна система живого світу

 

• 1977 року американським мікробіологом Карлом Воузом була запропонована трьохдоменна система органічного світу, за якої клітинні форми життя об’єднуються у три домени: Археї, Бактерії та Еукаріоти.
• К. Воуз вважав, що, зважаючи на відмінності у певних генах, ці три групи відділилися від спільного предка зі слаборозвинутим генетичним апаратом.
• Кожній групі дослідник надав статус домену і розділив на кілька царств. За результатами досліджень ця система біла доопрацьована, доповнена і відредагована в 1990 та 2016 роках.

 

Домен — це таксон найвищого рангу, який включає кілька царств живих організмів.

 

• Клітинні форми життя поділили на три домени — Бактерії, Археї та Еукаріоти.
• Віруси виділили як окремий таксон Vira, який об’єднує неклітинні форми життя й за рангом відповідає домену.
• Американський вчений Карл Воуз запропонував поділ прокаріотів на бактерій (еубактерій) і архей (архебактерій) через  істотні генетичні відмінності між цими групами.
• Така класифікація найбільш точно відбиває сучасні уявлення про виникнення й еволюцію основних груп живих організмів.

 

 

 

Характерні особливості доменів живих організмів

 

 

Група	Організми, які входять до складу групи	Особливості будови і життєдіяльності
Бактерії	Бактерії	Клітинні організми. У клітинах немає ядра й мембранних органел. Відрізняються значною різноманітністю біохімічних процесів у клітинах. Генетичний матеріал зазвичай представлений великою кільцевою молекулою ДНК (бактеріальною хромосомою). Можуть мати плазміди. Гени не містять інтронів
Археї	Археї (архебактерії)	Клітинні організми. Суттєво відрізняються від інших доменів за складом ліпідів та білків. У клітинах немає ядра й мембранних органел. Генетичний матеріал зазвичай представлений великою кільцевою молекулою ДНК (бактеріальною хромосомою). Можуть мати плазміди. Частина генів містить інтрони
Еукаріоти	Тварини, гриби, зелені рослини тощо	Клітинні організми. У клітинах є ядра та інші мембранні органели й цитоскелет. Генетичний матеріал міститься у хромосомах і має вигляд лінійних молекул ДНК. У мітохондріях і пластидах присутні невеликі молекули кільцевої ДНК. Гени містять інтрони

 

Новий варіант системи організмів, у якому еукаріоти об'єднуються з археями і з'являється нова гілка (відділи-претенденти, які не можна поки що віднести ні до бактерій, ні до архей)

3.  Особливості організації та функціонування Бактерій .

До цієї групи належать так звані «типові» бактерії, ціанобактерії («синьозелені водорості»), актиноміцети, рикетсії, хламідії, міксобактерії та ін. це найдавніші клітинні організмі, що існують на Землі. Можуть вважатися предками інших доменів — Археїв та Еукаріотів.

Основні ознаки Бактерій:

■ одноклітинні, колоніальні ;

■ прокаріотична будова клітини (окрім нуклеоїду та рибосом у різних видів можуть бути фотосинтезуючі, нітрогенфіксуючі структури та деякі інші);

■ геном не містить білків гістонів;

■ мембрани складаються з фосфоліпідів;

■ мембрани завжди двошарові, також часто наявна додаткова, периплазматична мембрана, що розташована ззовні від клітинної стінки;

■ клітинна стінка містить муреїн, може містити додаткові шари;

■ джгутик є порожньою білковою ниткою, обертається праворуч, росте від кінця, рухається з використанням протонного градієнту;

■ унікальні процеси: більшість типів бродіння, азотфіксація, фотосинтез на основі бактеріофілу, анаеробне дихання на основі відновлення сполук Сульфуру, Феруму, Мангану, Хлору, Стибію, Арсену;

■ живуть у всіх екотопах Землі, переважають за умов нормальної температури, тиску та вмісту кисню.

 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

 

4. .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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екологічні групи архей

 

Багато археїв — екстремофіли -

організми, пристосовані до життя в умовах, екстремальних за будь якою  фізичною або геохімічною ознакою.

 

(назви архей – не для вивчення!)

 

Археї-термофіли	живуть за дуже високих температур, часто вище від 100 °	Археї - термофіли були знайдені в різних геотермальних регіонах Землі, наприклад гарячих джерелах, схожих на джерела Єллоустоунського національного парку (США) і морських гідротермальних джерелах. Передумовою їхнього виживання є те, що термофіли мають ферменти, які можуть функціонувати при високих температурах. Велике призматичне джерело в Єллоустонському національному парку своїми яскравими блакитними кольорами завдячує деяким археям – термофілам. архея піролобус (Pyrolobus fumarii) - живе біля підводних гідротермальних джерел, температура води яких + 106 °С і рН 5,5.  архея метанопірус (Methanopyrus kandleri) існує за температури +122 °С. заселяє чорні курці на дні Каліфорнійської затоки, це єдиний відомий науці орґанізм, що здатен розмножуватись при таких температурах.  Ґеоґема - термофільні бактерії із глибоководних гарячих джерел.                   Піродиктиум (Pyrodictium Stetter). Археї, які живуть у термічних джерелах при температурах 80-105°С.
Археї-галофіли	Живуть в надзвичайно солоному середовищі	Мешкають у Мертвому морі та на півдні затоки Сан-Франциско, надаючи їй яскравих кольорів, від червоного до зеленого. Галобактерія сольова (Halobacterium salinarium ) заселяє озера із солоністю не менше 20-25‰ (1‰[проміле] = 1 граму солі/літр води.
Археї-ацидофіли	Живуть у кислому середовищі.	фероплазма (Ferroplasma acidophilum),  проживає за рН 0.   Пікрофілюс торідус (Picrophilus torridus ) єдиний відомий орґанізм, що здатен виживати у 1,2 молярному , близько 120 г/л  розчині сульфатної кислоти! Пікрофілюс заселяє  заповнені кислотами кратери погаслих вулканів, виробки копалень, хвостосховища хімічних виробництв тощо.
Радіорезистентні археї	витримують вплив радіації, що перевищує летальну дозу для людини в 3 000 разів. Смертельна доза для людини 5 Грей. Термококус витримує дозу радіації у 30000 Грей.	Архея термококус (Thermococcus gammatolerans)
Археї-мезофіли	живуть за звичайних умов водного чи ґрунтового середовища.
Мутуалістичні метаногенні археї                                 (муту	метаногени — в процесі метаболізму перетворюють водень та вуглекислий газ на метан; живуть в анаеробних навколишніх середовищах; присутні, здебільшого, в низькотемпературних середовищах.   .	Мутуалістичні беруть участь у розщепленні целюлози в кишечнику термітів та жуйних тварин.   Ниткові колонії Археїв із холодних метанових джерел із дна океану. Джерело ілюстрації: http://www.people.whitman.edu.
Археї-коменсали (нахлібники)	живуть на шкірі, у травній системі людини.	Кожен десятий мікроорґанізм людського кишківника – це Метанобревібактер Сміта (Methanobrevibacter smithiiBalch and Wolfe 1981), де допомагає перетравлювати клітковину та поліцукри.

 

 

Запитання. «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?»

Висновок:

•       Археї поєднують ознаки бактерій та евкаріотичних орґанізмі, що є унікальним у світі живої природи. Археї є проміжною ланкою між бактеріями і Еукаріотами. Справа в тому, що більша частина життєвих процесів археїв відбувається за принципами евкаріотів, а будова їх орґанізму аналогічна до прокаріотів.
•       Найважливіші у будь-якій живій клітині біологічні процеси передачі інформації із ДНК на РНК (транскрипція – авт.) і далі на білок (трансляція – авт.) у археїв відбуваються за аналогічними до евкаріот схемами. 
•       У архей відсутні ядро, ендоплазматична сітка, апарат Ґольджі, мітохондрії, пластиди та інші мембранні орґанели, що притаманно бактеріям.
•       У ДНК археїв наявні інтрони, невеличкі частинки ДНК, що не несуть жодної інформації, а лише розділяють інформативні ділянки екзони, які відрізняються від бактеріальних та евкаріотичних. Окрім інтронів, у археїв інша структура клітинних стінок, мембран, а також “джгутиків”, метаболічних шляхів, тощо…
•       Було встановлено, що археї заселяють усі екосистеми Землі. А ось до кінця ХХ століття вважали, що ці дивовижні істоти населяють лише екстремальні середовища, такі як озера із ропою, ґейзери, термальні джерела, білі та чорні палії, тощо. Це було пов’язано з тим, що вони були єдиними жителями таких біотопів.
•       Відкрито види, які населяють холодні метанові джерела, океанічний планктон, ґрунти, льодовики Антарктиди, шлунки копитних, кишківники термітів, клітини коралів, тощо.
•       За оцінками вчених археї становлять  20% біомаси біосфери!
•       Сучасна біологія дуже прискіпливо вивчає архей, адже вони мають комбінацію ознак і бактерій, і евкаріотів, а отже, можуть слугувати ключем до розкриття таэмниці походження еукаріот.