Глава V царство дробянки (mychota). Царство протоктисты (protoctista). Царство грибы (mycota, fungi) таксономические категории и таксоны. Бинарная номенклатура
Систематика изучает многообразие расти- тельных организмов, и ее основная задача - классификация этого огромного многообразия. Вид представляет собой основную таксономическую категорию в систематике. Каждый вид принадлежит к какому-либо роду, род - к семейству, семейство - к порядку, порядок - к классу, класс - к отделу, отдел - к царству. При необходимости могут использоваться и промежуточные таксономические категории, например подвид, подрод, подсемейство, надпорядок, надцарство.
Таксонами принято называть реально существующие или существовавшие группы организмов, которые в процессе классификации отнесены к определенным таксономическим категориям. Например, рода или виды являются таксономическими категориями, а род Шиповник и вид Шиповник собачий - конкретные таксоны. Первый таксон охватывает все существующие виды рода Шиповник, второй - все особи, относимые к виду Шиповник собачий (табл. 5.1).
Научные названия всех таксонов - выше вида - состоят из одного латинского слова, т.е. униноминальны. Для видов начиная с 1753 г (дата выхода в свет книги К. Линнея «Виды растений») приняты биноминальные названия, состоящие из 2 латинских слов: первое - обозначает род, к которому относится данный вид, второе - видовой эпитет. После названия вида заглавной буквой обозначается фамилия ученого, описавшего этот вид, например: Ландыш майский (Convallaria majalis L.). Виды существуют и возникают в процессе эволюции. По В.Л. Комарову, «...вид есть совокупность поколений, происходящих от общего предка и под влиянием среды и борьбы за существование обособленных отбором от остального мира живых существ».
Таблица 5.1.
Таксономические категории и таксоны (на примере Шиповника собачьего)
Подвиды - более мелкие таксоны внутри вида, обладающие своим ареалом (щавель обыкновенный).
Разновидности - менее различаются между собой, чем подвиды, не имеют своего ареала. Но при этом морфологические признаки закреплены наследственно.
Сорт - группа особей внутри вида, подвида, разновидностей, имеющих ряд наследственных, стойких признаков (зимостойкость, крупноплодность, высокая урожайность и др.), не передающихся понаследству. Чтобы сохранить материнские признаки сорта, обычно проводят вегетативное размножение.
Надцарство Доядерные организмы - Прокариоты (Procariota). Царство Дробянки (Mychota)
Подцарство Настоящие бактерии (Bacteriobonta)
Микроорганизмы, клетки которых не имеют ядра, ограниченного мембраной, относятся к прокариотам (от лат. pro - перед и греч. caryon - ядро). Это очень древние организмы, появившиеся более 3 млрд лет назад. Бактерии - это в основном одноклеточные и колониальные организмы. Условно их относят к царству растений, однако связь бактерий с высшими растениями или водорослями не доказана. Бактерии распространены повсеместно, так, в 1 мл воды их содержится около тысячи, а в 1 мл молока - около миллиона.
Строение бактериальной клетки
В составе клеточной стенки бактерий отсутствуют хитин и целлюлоза, что характерно для грибных и растительных клеток. Опорный каркас стенок образован гликопептидом (мукопротедом) муреином. Поверх клеточной оболочки располагается капсула или слизистый слой. Эта часть клеточной стенки, являясь дополнительной защитой бактерий, также служит для формирования колоний из отдельных клеток. Клеточная стенка сверху покрывает плазматическую мембрану бактерий.
Цитоплазма бактерий имеет зернистый вид. В химическом отношении цитоплазма представляет собой сложную смесь белков, жи- ров, углеводов, многочисленных других органических соединений, минеральных веществ, воды и включений - запасных питательных веществ (волютин, содержащий фосфор, гликоген, жир). У фотосинтезируемых бактерий во впячиваниях наружной плазматической мембраны находится пигмент - бактериохлорофилл. Значительная часть органических веществ присутствует в коллоидном состоянии, причем сами вещества всегда тесно перемешаны. В цитоплазме находятся и рибосомы 70 S. Кроме рибосом, в цитоплазме бактерий можно обнаружить сложные мембранные структуры в виде самостоятельных телец - мезосом, образующихся из наружной мембраны. Мезосомы выполняют функцию аппарата Гольджи.
Ядерный аппарат бактерий обычно называют нуклеоидом, представленным одной кольцевой молекулой ДНК. Нить ДНК у бактерий
прикрепляется какой-либо частью к цитоплазматической мембране или ее выростам с помощью специфических белков. Таким образом, цитоплазматическая мембрана у бактерий принимает участие в деле- нии нуклеоида. Кроме кольцевой хромосомы могут находиться более короткие двухцепочечные нити ДНК - так называемые плазмиды (внехромосомные факторы наследственности). Многие бактерии подвижны. Органами движения у них служат жгутики и тонкие палочковидные белковые выросты - пили, или фимбрии (короче и тоньше жгутиков, помогают прилипать к другим клеткам). Жгутики берут свое начало под цитоплазматической мембраной, закрепляясь там с помощью пары дисков (рис. 5.1).
Колонии большинства бактерий, растущих на неокрашенных средах, сероватые или беловатые; иногда они полупрозрачны, ино- гда совсем непрозрачны. Однако для некоторых видов характерно образование самых разнообразных пигментов (бактериохлорофилл, цитохромов, липохромов и др.).
Существуют различные морфологические типы бактерий (рис. 5.2).
Питание и энергетический обмен
Бактерии, как и грибы, способны поглощать питательные вещества всей поверхностью через плазматическую мембрану, которая проницаема для некрупных молекул белков, полисахаридов и др. Для этого в окружающую среду выделяются экзоферменты, расщепляющие полимеры до более простых молекул. Такое явление называется внеклеточным перевариванием.
Рис. 5.1. Строение бактериальной клетки:
1 - клеточная стенка; 2 - плазматическая мембрана; 3 - рибосомы; 4 - запасные питательные вещества; 5 - цитоплазма; 6 - кольцевая молекула ДНК; 7 - мезосома; 8 - пили или фимбрии; 9 - фотосинтетические мембраны; 10 - капсула; 11 - жгутик
Рис. 5.2. Морфологические типы бактерий:
А - кокки: 1 - кокки; 2 - стрептококки (многие виды вызывают инфекционные заболевания верхних дыхательных путей); 3 - стафилококки (разные штаммы вызывают фурункулез, воспаление легких, пищевые отравления); 4 - диплококки (две клетки в одной капсуле, например пневмококк - возбудитель пневмонии); Б - бациллы (палочковидные): 1 - одиночные палочки (возбудитель брюшного тифа); 2 - бациллы с эндоспорами (например, возбудитель столбняка); 3 - палочки, образующие цепочки клеток (возбудитель сибирской язвы); В - спириллы (спиралевидные) - спиральная палочка с одним жгутиком. По форме клеток на спириллы похожи спирохеты, но есть различия по способу передвижения, например возбудитель сифилиса; Г - вибрионы - короткие палочки, всегда изогнутые в виде запятой (возбудитель холеры)
По типу питания бактерии подразделяются на автотрофы (хемосинтетики, фотосинтетики) и гетеротрофы (сапрофиты, симбионты, паразиты). Источником энергии для хемосинтетиков является окис- ление минеральных веществ, для фотосинтетиков - свет.
К хемосинтетикам относятся: серобактерии, получающие энергию при окислении серы или сероводорода; железобактерии - при окислении двухвалентного железа; нитрифицирующие бактерии - при окислении аммиака или нитритов. К фотосинтетикам относятся зеленые и пурпурные серобактерии, живущие в соленых, пресных и серных водоемах. Фотосинтез у них проходит по анаэробному типу, т.е. без выделения О2, но при этом задействована фотосистема I (ФС I) в отличие от сине-зеленых водорослей и растений.
К гетеротрофным организмам относятся получающие углерод за счет разложения готового органического вещества мертвых организмов сапрофиты, а также использующие вещество живых растений, животных и человека - паразиты. Бактерии, живущие в симбиозе с растительными или животными организмами, являются симбионтами (например, клубеньковые азотфиксирующие бактерии бобовых). Энергетический обмен (катаболизм) у гетеротрофных бактерий связан с окислением органических веществ в форме аэробного дыхания и брожения. По типу дыхания бактерии бывают анаэробами (столбнячная палочка) и аэробами (туберкулезная палочка).
Размножение бактерий
Бесполое размножение бактерий. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению. Для подавляющего большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию 2 одинаковых дочерних клеток. Весь цикл деления прокариот можно разделить на 3 стадии:
I - редупликация (начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к цитоплазматической мембране, которая определяет начало и конец ее репликации) (см. рис. 5.3, А);
II - синтез мембраны в области контакта ДНК с цитоплазматической мембраной. Это приводит к разделению (растаскиванию) дочерних молекул ДНК и оформлению обособленных хромосом (см. рис. 5.3, Б);
III - образование поперечной перегородки. Синтез поперечной перегородки идет от периферии к центру. Она разделяет 2 дочерние
хромосомы, каждая из которых прикреплена к цитоплазматической мембране (рис. 5.3).
Такое простое деление клетки в благоприятных условиях наступает каждые 15-20 мин, что обеспечивает большую интенсивность размножения. Таким образом, при равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало 2 дочерним клеткам, а сама исчезает.
Рис. 5.3. Равновеликое бинарное поперечное деление бактерий:
1 - клеточная стенка; 2 - плазматическая мембрана; 3 - цитоплазма; 4 - молекула ДНК; А - редупликация ДНК; Б - синтез мембраны в области контакта
Особым способом защиты от неблагоприятных условий является процесс спорообразования. Каждая клетка образует за счет потери воды одну спору внутри - эндоспору. При этом протопласт сжима- ется, покрывается плотной оболочкой, а прежняя оболочка клетки разрушается, и спора высвобождается. Так споры могут длительное время пережидать неблагоприятные условия (сотни и даже тысячи лет) и сохранять жизнеспособность.
Половое размножение бактерий. У некоторых бактерий известен половой процесс, при котором происходит лишь генетический обмен между клетками, но не происходит образование новых клеток. Он состоит в прямом контакте 2 клеток, при этом клеткой-донором, ДНК с цитоплазматической мембраной выполняющей мужские функции, формируется специальный вырост - копуляционный канал, по которому генетический материал (ДНК) передается в клетку-реципиент, имеющую женскую потенцию. Такой процесс называется конъюгацией. Очень часто наблюдается передача не всей молекулы ДНК, а только ее отдельных фрагментов.
У бактерий имеются и другие способы передачи наследственного материала: трансформация и трансдукция. Трансформация осуществляется путем внесения ДНК разрушенных клеток одной культуры в живую культуру другой бактерии. Трансдукция проявляется в переносе генетического материала от одной культуры к другой с помощью бактериофагов. Эти способы передачи наследственного материала расцениваются как хромосомные мутации.
Значение бактерий в природе
1. Бактерии участвуют в разрушении мертвого органического материала в экосистемах и тем самым принимают непосредственное участие в круговороте углерода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов. Роль бактерий в процессе разложения определяющая, так как ими разлагаются практически все природные соединения.
2. Многие виды бактерий человек использует в народном хозяйстве для получения органических продуктов в результате брожения (уксуснокислые, молочнокислые). Большая группа молочнокислых бактерий производит молочнокислое брожение за счет анаэробного окисления сахара молока и других углеводов в молочную кислоту. Так, молочнокислый стрептококк (Streptococcus lactis) широко используется для приготовления простокваши; сырная палочка (Lactobacterium bulgaricum) - для приготовления кефира, сметаны, сыров.
3. Бактерии служат источником для получения антибиотиков (стреп томицин, грамицидин).
4. Бактерии используются для создания новых способов получения важнейших для промышленности веществ, в том числе спиртов, органических кислот, сахаров, полимеров, аминокислот и ряда фер- ментов.
5. Симбиотические бактерии кишечника млекопитающих (микрофлора) участвуют в синтезе ряда витаминов группы В и витамина К, а также расщепляют клетчатку.
6. Многие виды бактерий служат причиной болезней животных и человека (дизентерии, холеры, туберкулеза, сифилиса, бруцеллеза и др.), а также растений (бактериозы - увядание, пятнистость и др.).