ПРОКАРІОТИЧНІ ОРГАНІЗМИ: АРХЕЇ ТА БАКТЕРІЇ. ОСОБЛИВОСТІ ЇХНЬОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ ТА ФУНКЦІОНУВАННЯ

Тема «ПРОКАРІОТИЧНІ ОРГАНІЗМИ: АРХЕЇ ТА БАКТЕРІЇ. ОСОБЛИВОСТІ ЇХНЬОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ ТА ФУНКЦІОНУВАННЯ»

Мета уроку: 

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 уроку: засвоєння нових знань.

Ключові компетентності: спілкування державною мовою, наукове розуміння природи, здатність застосовувати його в практичній діяльності, здатність до пошуку та засвоєння нових знань, здатність і бажання дотримуватися здорового способу життя.

Хід уроку

І. Актуалізація опорних знань учнів.

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

• Існують організми, у яких усі функції живого виконує одна клітина.
• У них немає оформленого ядра і багатьох інших органел.
• Ці організми мають малі розміри (тому вони дістали назву мікроорганізми) та збереження генетичного матеріалу у формі кільцевої молекули ДНК (нуклеотиду).
• Їх вивчає наука мікробіологія.
• До них належать бактерії та ціанобактерії, які раніше називали синьо-зеленими водоростями. Що це за організми?

 Висновок: ПРОКАРІОТИ

ІІ. Мотивація вивчення навчального матеріалу.

 Проблемне запитання уроку:

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?

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

Розповідь учителя з елементами бесіди.

Карл Воуз – американський біолог, поділив всі організми на домени Бактерії, АрхеїтаЕукаріоти. Дойогодослідженьживуприродуподілялинадва над царства – Прокаріоти та Еукаріоти. Філогенетичне дерево життя, збудоване Воузом, показує значну різноманітність світу мікроорганізмів.

АРХЕЇ(від грец. Археос- дуже давній)-прокаріотичніодноклітиннімікроорганізмизбіохімічнимиособливостями, щовідрізняютьїхвідбактерійтаеукаріотів.

Це найдавніші організми, предки яких з’явилися на Землі близько 3,8 млрд років тому. Рoзміри архей — від 0,4 до 15 мкм у діаметрі. Найменшими серед археїв є наноархеї (0,4 мкм), які паразитують у клітинах інших архей (іл. 1).

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 .

Іл. 1. Наноархея (Nanoarchaeumequitans) і більша клітина-хазяїн археї ігнікокус (Ignicoccushopitalis)

Археї були відкриті у 1977 р. К. Воузом, який разом із своїм аспірантом Дж. Фоксом порівнював послідовності нуклеотидів у генах 16S-рРНК різних організмів. Одного разу вони виявили мікроорганізми, в яких нуклеотидні послідовності рРНК відрізнялися від рРНК бактерій і еукаріотів. Це стало однією із найважливіших наукових подій ХХ ст. Нова група отримала назву АРХЕЇ  і новий таксономічний ранг — домен. Це відкриття стало основою для створення К. Воузом системи трьох доменів (1985), що була першою молекулярно-філогенетичною системою живої природи. У ній виокремлюють домени Археї, Бактерії та Еукаріоти. Відкриттю архей сприяв вдалий вибір об’єктів для молекулярно-філогенетичних досліджень. Гени рРНК є дуже консервативною частиною геному, вони не змінювали свою функцію понад 3 млрд років і наявні в усіх клітинних істот. Все це зробило їх чудовим маркером філогенетичних подій.

Особливості архей:

1.                   Геном археїв представлений дволанцюговою ДНК у нуклеоїді та кільцевими плазмідами (позануклеоїдна кільцеподобна молекула ДНК) білки -гістони, унікальні інтрони, що відрізняються від еукаріотичних.

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

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

4. Джгутики (за наявності) відрізняються за складом 

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

6. Живлення хемоавтотрофне й хемогетеротрофне; притаманні унікальні метаболічні процеси: бактеріородопсиновий фотосинтез і метагенез.

Особливості метаболізму архей

На початкових етапах розвитку життя археї були домінуючими формами життя і особливе значення мали процеси отримання енергії за умов високого вмісту молекулярного водню, відсутності кисню і 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 - здатні до фіксації вуглекислого газу їм для життя достатньо водню, вуглекислого газу й води.
• гетеротрофні види - продукують метан завдяки здатності до метанового бродіння.Унікальна в живому світі реакція синтезу метану слугує для них джерелом енергії для синтезу власних органічних сполук:

CO₂ + 4H₂ —> CH₄ + 2H₂O + Е

Ці істоти можуть виживати навіть в умовах Марсу чи Венери. Близько 1,5 % Карбону, що бере участь у біосферному кругообігу, 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 завдяки використанню 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.

Поширення  архей

Археї поширені повсюдно:

• гідротермальні джерела,
• кратери вулканів,
• дно Північного Льодовитого океану
• травна системи людини й термітів.
• 

Представники архей:

1 - пірококус -  є джерелом ферментів у біотехнології;

2 - метанобревібактер - кишечник людини;

3 - фероплазма - проживає за рН 0;

4 – термококус- витримує великі дози радіації

Види  архей

1. Види-екстремофіли - живуть за дуже високих температур, часто вище від 100 °С (знайшли в гейзерахтак звані археї-термофіли). Архея піролобусживе біля підводних гідротермальних джерел, температура води яких + 106 °С 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.Археяметанопірус існує за температури +122 °С. Архея термококус витримує вплив радіації, що перевищує летальну дозу для людини в 3 000 разів.

2. Археї-галофіли - виявлено в надзвичайно солоному середовищі

3. Археї-ацидофіли - кислому

4. Археї-алкалофіли- лужному середовищі.

5.Види-мезофіли-  живуть за звичайних умов водного чи ґрунтового середовища.

6. Симбіотрофні види–мутуалістичніметаногенні археї беруть участь у розщепленні целюлози в кишечнику термітів та жуйних тварин.

7. Види архей-коменсалів, які живуть на шкірі, у травній системі людини.

Характеристика бактерій

Бактерії є найчисленнішими й найпоширенішими організмами нашої планети. У них проста будова клітини, високі темпи розмноження, велика різноманітність типів й способів живлення, висока мінливість завдяки мобільним генетичним елементам та горизонтальному перенесенню генів, наявність механізмів захисту від вірусів, вони мають здатність впадати в анабіоз й утворювати спори для витримування несприятливих умов. На сучасному етапі відбувається переважно біохімічна еволюція, завдяки чому вони можуть опановувати нові екологічні ніші, виробляючи нові ферменти для засвоєння нових поживних речовин.

БАКТЕРІЇ (Bacteria)- прокаріотичні одноклітинні мікроорганізми. У процесі еволюції бактерії адаптувались до життя у ґрунті, воді, повітрі, на поверхні й всередині живих організмів.

Основними групами бактерій

• спірохети,
• протобактерії,
• актинобактерії,
• мікоплазми

У зразках води й ґрунту, взятих на території заводу з переробки пластикових пляшок, було знайдено бактерії невідомого раніше виду ідеонела (Ideonellasakaiensis). Ці бактерії для свого живлення використовують пластик, розкладаючи його на безпечні для природи компоненти. Науковці підрахували, що бактерії здатні розкласти пластиковий пакет із найпоширенішого пластику поліетилентерефталату всього за 6 тижнів. Таку властивість бактерії розвинули упродовж останнього десятиліття — це їхня відповідь на велику кількість їжі нового типу. Як зазначають мікробіологи, бактерії мають вражаючу здатність адаптуватися до навколишнього середовища.

Особливості будови та життєдіяльності бактерій

1. Клітинна оболонка бактеріальних клітин містить пептидоглікан (муреїн), що утворює жорстку решітку для захисту й опори, бере активну участь в обміні речовин, рості, розмноженні. За особливостями будови клітинної стінки бактерії поділяють на грамнегативні та грампозитивні.

Схема будови клітинної оболонки грамнегативних (1) та грампозитивних (2) бактерій

2. Основою клітинних мембран бактерій є два шари фосфоліпідів і різноманітні за функціями білкові молекули. Дуже важливими для бактерій є такі функції мембран, як транспортування речовин, перетворення енергії, синтез речовин, що відбуваються за участі внутрішньоклітинних впинань (фотомембран, мезосом).

3. Для бактерій характерна надзвичайна різноманітність типів живлення: фотоавтотрофний (ціанобактерії), хемоавтотрофний (залізобактерії, сіркобактерії), фотогетеротрофний (пурпурні бактерії), хемогетеротрофний (сапротрофні бактерії).

4. Гени бактеріальної клітини складаються із безперервної кодувальної послідовності нуклеотидів. Поділу на інтрони й екзони немає. Характерною ознакою бактерій є наявність у клітині, поряд з нуклеоїдом, невеликих автономних плазмід.

5. Унікальними для бактерій процесами життєдіяльності є більшість типів бродіння, фіксація азоту, бактеріохлорофільний безкисневий фотосинтез.

6. У багатьох бактерій відбувається утворення спор для існування за несприятливих умов, деякі здатні до інцистування для захисту й поширення.

Способи розмноження та обміну спадковою інформації у бактерій

Найчастіше у бактерій спостерігається швидкий бінарний поділ, що за сприятливих умов відбувається в межах від 15 до 30 хв. Різновидом бінарного поділу є брунькування. На одному з полюсів материнської клітини утворюється брунька, яка збільшується, а потім відокремлюється. У деяких бактерій виявлено множинний поділ. Йому передують реплікація хромосоми і збільшення клітини, в якій далі відбувається кілька послідовних бінарних поділів з утворенням багатьох дрібних клітин.

Статевого розмноження у бактерій немає, оскільки не утворюються гамети. Але найголовніша подія статевого відтворення, а саме обмін генетичним матеріалом, у них є. Суттєву роль у цьому процесі відіграє горизонтальне перенесення генів між організмами різних видів.

Горизонтальне перенесення генів- процес, під час якого організм передає генетичний матеріал іншому організму, який не є його нащадком.

Серед архей та бактерій горизонтальне перенесення генів є досить звичайним навіть між віддаленими видами. Завдяки цьому явищу в доядерних організмів забезпечуються комбінативна мінливість і здатність пристосовуватися до умов довкілля.

Способи  горизонтального перенесення генів:

1.Трансформація (від лат. nformationn — перетворення) - передача генетичного матеріалу між клітинами за участі ізольованої ДНК. При трансформації не потрібен безпосередній контакт між клітиною-донором і клітиною-реципієнтом.

2.Трансдукція (від лат. nformation — переміщення) — передача генетичного матеріалу від однієї клітини іншій за допомогою вірусів. Явище трансдукції відкрите американськими вченими Д. Ледербергом і Н. Циндером ще у 1952 р.

3.Кон’югація (від лат. nformation — поєднання) — передача генетичного матеріалу від клітини-донора у клітині-реципієнтові при безпосередньому контакті клітин. Необхідною умовою кон’югації є наявність у клітині плазміди.

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

Основні види взаємовідносин бактерій

• Часто бактерії «співпрацюють», формуючи біоплівки. Біоплівки (біофільми) -спільний слизовий шар із зануреними в 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. Біоплівки утворюють спільне стабільне середовище існування бактерій, завдяки чому останні можуть виживати в дуже важких і малопридатних для інших організмів умовах.
• Перебуваючи в угрупованнях, бактерії спілкуються і координують свою поведінку завдяки секреції молекулярних сигналів. Це явище називається «відчуттям кворуму». Його вперше спостерігали у біолюмінецсентної бактерії (Vibriofischeri), що живе як симбіонт у світлових органах-фотофорах одного з видів гавайських кальмарів.

Симбіотичними взаємозв’язки між бактеріями й іншими організмами

•              мутуалізм:

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

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

в) співіснування з організмом людини молочнокислих бактерій.

•              коменсалізм -  відносини організму людини з біфідобактеріями й кишковою паличкою.
•              паразитизм - співіснування хвороботворних бактерій (чумна паличка, холерний вібріон, золотистий стафілокок, туберкульозна паличка) з організмом людини чи тварин.

Антибіотичні взаємозв’язки між бактеріями й іншими організмами

Антибіоз — це взаємовідносини, за яких спостерігається пригнічення розвитку або повне відмирання одних видів під дією продуктів обміну, що їх утворює інший вид. Найчастіше ці продукти називають антибіотиками. Так, Луї Пастер ще в 1877 р. описав конкуренцію бактерій ґрунту і бактерій-збудників сибірської виразки. Є серед бактерій і справжні хижаки. До них належать бделовібріони, тератобактери, диктіобактери

IV. Узагальнення, систематизація й контроль знань і вмінь.

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

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.

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

VI. Домашнє завдання:

Опрацювати §9, 10 стор. 36- 44. Відповісти письмово на запитання 7-10 с.40,44.

VІІ. Література:

1.Соболь В. І. Біологія і екологія : підруч. для 10 кл. закл. загальної середньої освіти / В.  І.  Соболь. – Кам’янець-Подільський : Абетка, 2018. – 272 с.