Бактерии — древнейшие и самые распространённые организмы Земли: они живут в воде, почве, воздухе, горячих источниках, внутри и на поверхности других организмов. Это безъядерные клетки — прокариоты. Без бактерий остановился бы круговорот веществ: разложение мёртвой органики, связывание азота, образование почвы — их работа. В то же время многие опасные болезни вызываются бактериями. В этой же теме изучается неклеточная форма жизни — вирусы. На экзамене часто спрашивают о строении прокариот, способах питания, спорах, цианобактериях и возбудителях болезней.
§1. Строение бактериальной клетки
Бактериальная клетка очень мала — обычно 1–10 мкм, её едва видно в обычный световой микроскоп. Впервые бактерии увидел А. Левенгук (XVII век) в изготовленный им микроскоп.
Ядра нет: наследственный материал — нуклеоид, то есть одна кольцевая молекула ДНК, свободно лежащая в цитоплазме. Кроме того, есть мелкие кольцевые ДНК — плазмиды; гены устойчивости к антибиотикам часто находятся именно в них.
Клеточная стенка состоит из муреина (пептидогликана). Вспомните: у растений стенка из целлюлозы, у грибов из хитина — это различие часто спрашивают на экзамене.
У многих поверх стенки есть слизистая капсула: она защищает клетку от высыхания и от защитных клеток организма-хозяина.
Мембранных органоидов нет: митохондрий, пластид, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом не бывает. Дыхательные ферменты расположены на впячиваниях плазматической мембраны.
Рибосомы мелкие — 70S (у эукариот рибосомы цитоплазмы 80S).
У многих есть органоид движения — жгутик, у некоторых тонкие ворсинки (пили) для прикрепления.
Признаки прокариот: нет ядра, нуклеоид, муреиновая стенка, рибосомы 70S, нет мембранных органоидов.
Размножение — деление клетки надвое. Сначала ДНК удваивается, затем посередине клетки образуется перегородка, и получаются две одинаковые клетки. В благоприятных условиях (тепло, влага, достаточно пищи) деление повторяется каждые 20–30 минут, поэтому численность бактерий растёт очень быстро — экспоненциально. Настоящего полового размножения нет, но есть половой процесс — конъюгация: между двумя клетками образуется мостик, и участок ДНК (часто плазмида) переходит из одной клетки в другую. Число клеток при этом не увеличивается, происходит только обмен генами.
Спора — покоящаяся форма с толстой многослойной оболочкой, образующаяся внутри клетки в неблагоприятных условиях (засуха, высокая температура, нехватка пищи). Споры выдерживают кипячение, холод, высушивание и сохраняются живыми годами. Из одной клетки образуется одна спора, значит, число бактерий не растёт — спора не размножение, а способ переживания. При улучшении условий спора прорастает в обычную клетку. Поэтому консервы долго обрабатывают при высокой температуре.
анаэробы — живут без кислорода, получают энергию брожением (возбудители столбняка и ботулизма, молочнокислые бактерии). Столбняк развивается в глубоких загрязнённых ранах, где мало кислорода.
§3. Способы питания
Автотрофы сами синтезируют органические вещества из неорганических:
фотосинтезирующие — используют энергию света: цианобактерии, зелёные и пурпурные бактерии;
хемосинтезирующие — используют энергию окисления неорганических веществ: нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак до нитрита, нитрит до нитрата), железобактерии, серобактерии. Хемосинтез открыл в 1887 году С. Н. Виноградский.
Гетеротрофы живут за счёт готовых органических веществ:
сапротрофы (гнилостные) — разлагают мёртвую органику до минеральных веществ, то есть выполняют в экосистеме роль редуцентов;
паразиты — живут за счёт живого организма и вызывают болезни;
симбионты — живут во взаимовыгодной связи с хозяином. Клубеньковые бактерии на корнях бобовых (горох, фасоль, люцерна, соя) связывают свободный азот атмосферы (N₂) и превращают его в соединения, доступные растению. Кишечная палочка в кишечнике человека синтезирует витамины K и группы B.
Цианобактерии (их называют также сине-зелёными водорослями): носток, осциллатория, анабена. Они, как растения, фотосинтезируют и выделяют кислород, но ядра у них нет — значит, это прокариоты, а не растения. Некоторые фиксируют азот в особых клетках — гетероцистах. Древние цианобактерии обогатили атмосферу Земли кислородом.
Пищевая промышленность: молочнокислые бактерии — для катыка, кефира, сыра, сметаны; квашения капусты и огурцов; уксуснокислые бактерии — для получения уксуса.
Медицина и биотехнология: антибиотики (например, стрептомицин получают из актиномицетов), витамины; методами генной инженерии в бактерии вводят ген человека и получают инсулин и другие белки.
Сельское хозяйство: в севообороте бобовые обогащают почву азотом; силосование кормов.
Способы защиты продуктов от бактерий: охлаждение, сушка, засолка, засахаривание, кипячение, пастеризация, стерилизация.
Пастеризация — способ, предложенный Л. Пастером: нагревание продукта до 60–70 °C, убивающее активные бактерии (споры могут сохраниться). Стерилизация — более жёсткая обработка, уничтожающая и споры.
§5. Бактериальные болезни
Холера — вибрион; кишечная болезнь, передаётся через грязную воду.
Туберкулёз — палочка Коха (Р. Кох открыл её в 1882 году); поражает в основном лёгкие, передаётся воздушно-капельным путём.
Столбняк — анаэробная бактерия, через загрязнённую почвой рану.
Сибирская язва, чума, бруцеллёз — передаются человеку от животных.
Профилактика: личная гигиена, кипячение воды, правильное хранение продуктов, прививки (вакцины), изоляция больных. Для лечения применяют антибиотики; приём без назначения врача ведёт к появлению устойчивых бактерий.
§6. Вирусы
Вирусы — неклеточная форма жизни. В 1892 году Д. И. Ивановский, изучая мозаичную болезнь табака, открыл вирусы.
Строение: нуклеиновая кислота (ДНК или РНК — не обе вместе) и окружающая её белковая оболочка — капсид. У некоторых есть ещё внешняя липидная оболочка (грипп, ВИЧ).
Собственного обмена веществ нет, размножаются только внутри клетки-хозяина: нуклеиновая кислота вируса проникает в клетку, и с помощью её рибосом и веществ собираются новые вирусы.
Бактериофаг — вирус, поражающий бактерии: прикрепляется хвостом к бактерии, впрыскивает внутрь свою ДНК, после сборки новых фагов клетка разрывается и гибнет.
Вирусные болезни: грипп, корь, ветряная оспа, гепатит, полиомиелит, ВИЧ-инфекция (СПИД), COVID-19; у растений — мозаика табака.
Антибиотики действуют на бактерии, а не на вирусы. Главная мера против вирусов — вакцинация.
Пример
Почему пшеница, посеянная после бобовых, даёт хороший урожай?
Клубеньковые бактерии на корнях бобовых связывают N₂ атмосферы.
После разложения растительных остатков в почве накапливаются азотистые соединения.
Пшеница использует этот азот для синтеза белков и нуклеиновых кислот.
Ответ: бобовые обогащают почву азотом — в этом основа севооборота.
Пример
Одна бактерия делится каждые 30 минут. Сколько бактерий будет через 3 часа (если все выживут)?
3 часа = 180 минут; число делений: 180 / 30 = 6.
При каждом делении число удваивается: N = 2ⁿ.
N = 2⁶ = 64.
Ответ: 64 бактерии.
Пример
Домашние консервы плохо прокипятили; через несколько месяцев крышка банки вздулась. Какая бактерия опасна и почему она выжила?
В банке нет воздуха (кислорода) — это анаэробные условия.
Споры анаэробного возбудителя ботулизма не погибают при коротком кипячении.
Споры прорастают, бактерия размножается, выделяет газ и сильный яд (токсин) — крышка вздувается.
Ответ: возбудитель ботулизма; он выжил благодаря спорам и анаэробности, такие консервы есть нельзя.
Проверьте себя
Как называется область, где находится кольцевая ДНК бактерии?
Из какого вещества состоит клеточная стенка бактерий?
Является ли образование спор размножением?
Кто открыл хемосинтез?
Какую форму имеет возбудитель холеры?
К какой группе относится носток?
Сколько клеток образуется из одной бактерии за 2 часа, если она делится каждые 20 минут?
Кто открыл вирусы?
Типичные ошибки
Писать, что у бактерий есть митохондрии или ядро — мембранных органоидов у них нет вовсе.
Считать образование спор способом размножения.
Относить носток и другие цианобактерии к растениям (настоящим водорослям) — это прокариоты.
Думать, что антибиотики действуют и на вирусы.
Называть конъюгацию размножением — число клеток при ней не растёт, происходит только обмен генами.
Писать, что стенка бактерий из целлюлозы или хитина.