Читать книгу "Нескучная биология - Алексей Целлариус"

Строение клетки прокариот: 1 – клеточная стенка; 2 – клеточная мембрана; 3 – рибосомы; 4 —кольцевая молекула ДНК в цитоплазме; 5 – складки наружной мембраны; 6 – жгутики

Некоторые бактерии способны в неблагоприят-ных условиях отращивать особо толстую оболочку и «впадать в спячку». Такие «спящие» бактерии называются цистами. Другие – создают внутри себя толстостенную капсулу, содержащую в «сжатом» виде копию материнской клетки. Это образование называется эндоспорой. В случае всякого рода неприятностей носители эндоспор гибнут, но сами споры могут сохранять жизнеспособность в самых невообразимых условиях десятки, сотни, и даже тысячи лет, выжидая, пока судьба повернется к ним лицом.

Внутреннее содержимое прокариотной клетки – вода, белки, углеводы, нуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты – вся сложная смесь, необходимая для биохимической кухни, обеспечивающей жизнь и размножение бактерии. Но вот внутренних мембран в прокариотных клетках нет и, соответственно, нет и органелл – митохондрий, пластидов, эндоплазматической сети и самого ядра. Большинство реакций синтеза идет на плазматической мембране. Все это не значит однако, что метаболизм у прокариот менее сложен, чем у эукариот, у которых есть и ядро, и митохондрии и все прочее. Мало того, в области синтеза прокариоты способны на такие штуки, которые недоступны их потомкам, эукариотам. Например, только прокариоты (не все) могут фиксировать атмосферный азот. Поскольку азот – одна из важнейших составляющих белковых молекул, то существование всех остальных организмов планеты зависит от азотфиксирующих бактерий. Серы в живых организмах содержится, конечно, меньше, чем азота. Но и сера необходимый компонент ряда аминокислот и, соответственно, белков. И ни один живой организм, кроме прокариот, не может использовать серу в каком-либо ином виде, кроме как в виде солей серной кислоты – сульфатов. А практически все сульфаты, находящиеся в почвах естественных экосистем – продукт деятельности прокариот. И, наконец, только среди прокариот есть создания, способные извлекать энергию из минеральных веществ, таких, как азот, сера, соединения железа, водород, сероводород.

Формы клеток бактерий: 1 – кокки; 2 – стафилококки; 3 – стрептококки; 4 – спирохета; 5 – вибрионы; 6 – палочки

Некоторые прокариоты неподвижны, они разносятся движением воды и воздуха и их благополучие зависит от счастливого случая. Но многие способны активно передвигаться. Некоторые спирохеты и вибрионы передвигаются за счет изгибов тела. Есть бактерии, которые выделяют обильную слизь и волнообразными движениями оболочки гонят ее назад, создавая своего рода «реактивную тягу». Но есть у прокариот и специальные органы передвижения – жгутики. У эукариотных клеток жгутики – обычная вещь. Но жгутики бактерий устроены совершенно иначе. Длина жгутика может превышать длину бактериальной клетки и состоит этот жгутик из извитой молекулы белка. Эта молекула несет на одном конце своего рода кольцо, которое расположено в особой белковой «муфте» в клеточной оболочке. За счет разности электрических потенциалов в муфте и кольце жгутик вращается по тому же принципу, как сердечник электромотора. Это совершенно уникальный случай, когда живое существо использует принцип колеса. Скорость движения бактерий, обладающих жгутиками, порядка 20 микрон в секунду – весьма приличная скорость, аналогичная скорости 20–30 метров в секунду (более 70 км/час) для лошади.

Как-то принято считать, что общественная жизнь и коллективные действия – удел существ высокоразвитых. На самом же деле склонность к объединению обнаруживается уже у прокариот. Миксобактерии – организмы, двигающиеся «реактивным скольжением» в собственной слизи. Они вполне способные вести одиночную жизнь, каковую и ведут сплошь и рядом в почве, в разлагающихся растительных остатках и в мелких лужах. Однако чаще они встречаются скоплениями. Такое скопление – тонкая слизистая пленка, в которой содержатся тысячи и миллионы бактерий – согласованно движется по поверхности субстрата и, встретив что-либо съедобное, накрывает собою и переваривает при помощи дружно выделяемых ферментов. Попав в неблагоприятные условия, такое скопление стягивается и выпячивается, сначала бугорком, а потом этот бугорок превращается в деревце, на ветвях которого сидят округлые «плоды». Размер «деревца» не так уж и мал, «деревце» может достигать миллиметра в высоту. Ствол и ветви состоят из огромного количества погибших бактерий, а плодовые тела содержат споры – часть членов колонии, впавших в спячку до лучших времен.

Гастрономические причуды

Форма клетки, строение клетки, способ передвижения, способ размножения – разнообразие всех этих признаков и свойств у прокариот, в общем, невелико. С точки зрения нормального человека, привыкшего классифицировать объекты по их строению, разложить прокариот по полочкам не составляет труда. Увы, это приятное заблуждение профана. Другой такой запутанной области, как систематика прокариот, в естественных науках, пожалуй, не существует. Дело в том, что привычные мерки, с которыми систематики подходят к грибам, паукам, крокодилам и прочим эукариотам, в мире прокариот не годятся. Разнообразие эукариот – это действительно в основном разнообразие строения, биохимическая же основа у всей этой публики одинакова до противного. А вот у прокариот – все наоборот. Их разнообразие – это разнообразие биохимических процессов и, соответственно, разнообразие процессов питания и дыхания.

Прежде всего прокариоты способны получать энергию не двумя, а тремя разными способами: использовать энергию солнечного света (фототрофы); использовать энергию окисления минеральных веществ (хемотрофы); получать энергию за счет окисления органических веществ (органотрофы).

Изучение прокариот продвигается медленней, чем хотелось бы, как раз потому, что они способны существовать в самых немыслимых условиях. От дохлой прокариоты бактериологу мало пользы, поскольку внешне все они довольно однообразны. А вот чтобы изучить особенности их обмена, их нужно вырастить в культуре. А вы представляете себе, что такое создать культуру организмов, живущих в абсолютной темноте, при давлении в 500 атмосфер, питающихся водородом и требующих температуры 200 °C? Именно поэтому, например, анаэробные бактерии до сих пор изучены существенно хуже кислородных, а хемосинтетики – хуже органотрофов. Иной раз у бактериологов просто фантазии не хватает, чтобы создать условия, в которых будет расти какой – либо вид бактерий. И потому эти бактерии науке до сих пор не известны.

Среди фототрофов есть автотрофы, которые синтезируют органику из минеральных соединений. Одни производят углеводы из углекислого газа и воды, подобно зеленым растениям. А есть и такие, которые вместо воды пользуются совершенно другими соединениями, например сероводородом. Ну, это еще куда ни шло. Так ведь некоторые фототрофы используют в качестве источника углерода углекислый газ, но источником водорода вместо воды сероводорода или другого минерального соединения у них служат спирты или органические кислоты. То есть они «фото», но уж; никак не «авто», поскольку нуждаются в готовой органике. Для этой публики придумано название «фотогетеротрофы», хотя с гетеротрофными эукариотами все это имеет очень немного общего. Мало того. Есть среди фототрофных прокариот совершенно уникальные существа, которые используют энергию солнечного света не для синтеза топлива, а только для «зарядки» АТФ, а питательные вещества потребляют готовые. Эти создания настолько не лезут ни в какие ворота, что для их способа питания-дыхания даже названия соответствующего не смогли придумать.