5 класс. Биология. Царство бактерий

Бактерии – относительно просто устроенные микроскопические организмы. Они одноклеточные. Ядра, отделенного от цитоплазмы оболочкой, у бактерий нет. Такие организмы называются прокариотами. Весь наследственный материал у них распределён в цитоплазме. Клетки бактерий имеют намного меньшие размеры, чем клетки растений или животных. В среднем это 0,5–5 мкм. Кишечная палочка, например, имеет длину клетки от 1 до 6 мкм (Рис. 1.). Самые крупные из бактерий достигают размера в 750 мкм, т. е. 0,75 мм. Самые мелкие из них имеют размеры от 0,1 до 0,25 мкм. По теоретическим подсчётам, клетка меньших размеров не может быть жизнеспособной, поскольку в ней не могут поместиться все необходимые молекулы.

Впервые бактерии увидел в оптический микроскоп и описал в XVII веке Антони ван Левенгук (Рис. 2). В середине XIX в. Луи Пастер открыл болезнетворные свойства бактерий, а также связал их со многими хозяйственно важными процессами (например, порчей продуктов питания). Медицинская микробиология получила развитие в трудах Роберта Коха. Он сформулировал общие принципы определения возбудителя болезни. В 1905 году он был удостоен Нобелевской премии за исследования туберкулёза. Изучением бактерий занимается наука бактериология.

2. Классификация бактерий

Клетки бактерий имеют чрезвычайно малые размеры. Поэтому изучение их строения началось только с изобретением электронного микроскопа. Традиционно существует разделение бактерий по форме клетки (Рис. 3).

Различают шарообразные кокки (например, стрептококки, стафилококки), палочковидные бациллы (например, кишечная палочка), изогнутые в виде запятой вибрионы (например, холерный вибрион), спиралевидные спириллы. Очень часто бактерии образуют скопления в виде длинных изогнутых цепочек, групп и пленок.

Некоторые бактерии имеют жгутики – до 1000. Среди бактерий есть подвижные и неподвижные формы. Подвижные передвигаются при помощи жгутиков или скольжением. Многие водные бактерии могут погружаться или всплывать, изменяя свою плотность за счет выделения пузырьков газа.

Бактерии активно передвигаются в направлении, определяемом теми или иными раздражителями. Это явление получило название таксиса. Большинство бактерий бесцветно. Некоторые окрашены в пурпурный или зеленый цвет.

Бактерии были одними из первых живых организмов на Земле. Они появились более 3 млрд лет назад. Поскольку понятие вида к бактериям применимо с трудом, сколько их видов существует, точно не известно. Условно указывают около 10000 видов.

3. Строение бактерий

Бактериальные клетки окружены плотной оболочкой, благодаря которой сохраняют постоянную форму. По составу и строению клеточные оболочки бактерий существенно отличаются от таковых растений и животных.

Снаружи оболочка может быть покрыта ещё и слизистой капсулой. Оформленного ядра у бактерий нет, а наследственный материал распределен в цитоплазме.

4. Распространение бактерий

Практически нет места на Земле, где бы не встречались бактерии. Они живут даже во льдах Антарктиды и в горячих источниках. Особенно много их в почве. В 1 г почвы могут содержаться сотни миллионов бактерий. Большинство бактерий гибнет при температуре +65–100°С, но споры некоторых из них переносят нагревание до +140°С и охлаждение до -253°С.

Число бактерий различно в воздухе проветренных и непроветренных помещений. Так, в классе после проветривания перед началом урока бактерий в 13 раз меньше, чем в той же комнате после урока. Условия жизни бактерий разнообразны. Одним из них необходим кислород (аэробные бактерии), другие в нем не нуждаются и способны жить в бескислородной среде (анаэробные бактерии).

5. Питание бактерий

Большинство бактерий питается готовыми органическими веществами – они гетеротрофы. Некоторые бактерии, например сине-зеленые водоросли, способны создавать органические вещества из неорганических (Рис. 4). Такие организмы называются автотрофами. Автотрофные бактерии сыграли важную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли.

Гетеротрофные бактерии делятся на сапротрофных, получающих органические вещества из отмерших организмов или выделений живых организмов, и паразитов, питающихся органическими веществами живых организмов. Паразитизм у бактерий распространен очень широко. Существуют бактерии, паразитирующие в теле бактерий других видов. Среди бактерий-паразитов много болезнетворных, поражающих растения и животных.

Встречаются так называемые хищные бактерии. Это колониальные бактерии. Их клетки соединены мостиками и образуют подобие ловчей сети. Передвигаясь, такая колония захватывает и переваривает мелкие живые организмы.

Некоторые бактерии способны улавливать азот воздуха, что чрезвычайно важно для них и многих растений.

6. Размножение бактерий

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий может происходить через каждые 20–30 мин. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно было бы заполнить все моря и океаны.

Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро поедается другими организмами. Половое размножение у бактерий отсутствует. Для обеспечения необходимой изменчивости у них существуют другие механизмы. Так, некоторые бактерии могут обмениваться наследственным материалом между собой и с другими организмами.

7. Образование спор

В неблагоприятных условиях (при недостатке пищи, влаги, резких изменениях температуры) цитоплазма бактериальной клетки, сжимаясь, отходит от материнской оболочки, округляется и образует внутри неё на своей поверхности новую, более плотную оболочку. Такую бактериальную клетку называют спорой (Рис. 5). Споры некоторых бактерий сохраняются очень долго в самых неблагоприятных условиях.

Они выдерживают высушивание, жару и мороз, не погибают даже в кипящей воде. По некоторым данным, споры сохраняются в почвах и горных породах в жизнеспособном состоянии миллионы лет. Споры легко разносятся ветром, водой и т. д. Их много в воздухе и почве. В благоприятных условиях спора прорастает и становится активной бактерией.

Волосатики

Вымойте клубень картофеля, не очищая его от кожуры, нарежьте ломтиками. Натрите ломтики мелом и поместите в чашку Петри. Чашку поставьте в тёплое место с температурой 25–30°С. Через 2–3 суток на поверхности ломтиков образуется плотная морщинистая пленка. Маленький кусочек пленки разотрите в капле воды и рассмотрите под микроскопом бактерии картофельной палочки. Они подвижны, обладают жгутиками и могут образовывать споры.

Для получения культуры сенной палочки положите в колбу с водой немного сена, горлышко колбы закройте ватой и кипятите содержимое в течение 15 мин, чтобы уничтожить другие бактерии, которые могут оказаться в колбе. Сенная палочка при кипячении не погибает.

Полученный настой сена отфильтруйте и на несколько дней поставьте в помещение с температурой 20–25°С. Сенная палочка будет размножаться, и вскоре поверхность настоя покроется пленкой из бактерий.

Стеклянной палочкой перенесите частичку пленки на предметное стекло, накройте покровным стеклом и рассмотрите под микроскопом. Добавьте под покровное стекло каплю метиленовой синьки. На голубом фоне бактерии видны гораздо лучше. Некоторые из них подвижны, а у неподвижных внутри видны блестящие овальные образования. Это споры.

Почему бактерии рассматриваются в этом курсе?

До середины 20 века бактерии считались низшими растениями. Это происходило потому, что некоторые бактерии способны синтезировать кислород, не способны поглощать целые кусочки пищи, а получают питательные вещества в виде растворов. Таким образом, бактерии имеют сходные с растениями признаки.

Оболочка клетки

Оболочка бактериальной клетки отличается от растительной либо животной. Таким образом, некоторыми веществами можно нарушить синтез бактериальной оболочки (патогенных бактерий), не нанося вреда организму-хозяину. Вследствие этого клетка не сможет продолжать нормальную жизнедеятельность. Так работают антибиотики (пенициллин).

Появление цианобактерий

Одними из древнейших бактерий являются цианобактерии, или сине-зелёные водоросли (Рис. 6). В породах, образованных 3,5 млрд лет назад, обнаружены продукты их жизнедеятельности – строматолиты. Благодаря цианобактериям в атмосфере начал накапливаться кислород, который 2 млрд лет назад достиг концентраций, достаточных для начала аэробного дыхания.

Появление кислорода в атмосфере (кислородная катастрофа) нанесло серьёзный удар по анаэробным организмам. Они либо вымирают, либо уходят в локально сохранившиеся бескислородные зоны. Общее видовое разнообразие бактерий в это время сокращается.