Жизнеспособность микроорганизмов в условиях космического пространства подтверждена, утверждает Роскосмос.

Северное сияник"В результате анализа проб, полученных экипажами МКС…, получены уникальные данные, подтверждающие, что на внешней стороне космических объектов могут сохраняться жизнеспособные споры микроорганизмов, устойчивые к неблагоприятным факторам окружающей среды", — отмечает Роскосмос.

В четырёх пробах из одиннадцати были обнаружены бактерии рода Bacillus (B. licheniformis, B. subtilis и B. sphaericus, В. pumilus) в различных зонах отбора и только в местах с выявленным загрязнением поверхности, возможно, служащим средой питания и сохранения от УФ микроорганизмов или обеспечивающих "сцепление" с поверхностью станции. Поверхность МКС является эффективной ловушкой космической пыли, собирающей дисперсные частицы из околоземного пространства, включая бактерии и споры грибов.

Также в 2013 году были выявлены фрагменты ДНК Micobacteria (гетеротрофного морского бактериопланктона, обитающего в Баренцевом море) и ДНК экстремофильной бактерии Delftia. Получены факты, подтверждающие, что возможен значимый массоперенос морского бактериопланктона до орбит МКС.

Впервые в мировой практике космических исследований космонавтами в процессе внекорабельной деятельности с поверхности станции отбирались пробы-мазки мелкодисперсного осадочного вещества. Пробы помещались в стерилизованный контейнер и доставлялись на Землю. При многопараметрических лабораторных исследованиях были получены уникальные результаты: около клапана системы очистки воздуха "Воздух" зарегистрирована концентрация летучих органических соединений, в 102 — 103 раза превышающая концентрацию этих веществ в атмосфере МКС (2010 г.);

Полученные данные о химическом и биологическом составе космической пыли на поверхности МКС позволяют предположить существование механизма "ионосферного лифта", осуществляющего перенос тропосферного аэрозоля с поверхности Земли в верхнюю ионосферу.

Источник: РИА Новости 

Генетики показали, что митохондрии, клеточные органеллы бактериального происхождения, сначала паразитировали на клетках и лишь затем стали снабжать их энергией.

МитохондрияОб этом говорится в статье американских ученых из Университета Вирджинии, опубликованной в журнале PLOS ONE.

Митохондрии называют клеточными энергетическими станциями, потому что в них протекают процессы окислительного фосфорилирования, итогом которых является синтез АТФ - молекул, служащих энергетической «валютой» клетки. Митохондрии происходят от свободноживущих бактерий, по каким-то причинам поселившихся в эукариотических клетках.

Долгое время считалось, что отношения митохондрий и клеток с самого начала строились как симбиоз. Однако было неясно, почему же началось их взаимовыгодное сотрудничество. Что предки митохондрий, еще не став специалистами в выработке АТФ, «с порога» могли предложить своим хозяевам? Авторы статьи сняли эту проблему, показав, что митохондриям не надо было ничего предлагать, поскольку они начинали свою «карьеру» в качестве паразитов.

Исследователи попытались реконструировать прошлое митохондрий, приняв во внимание не только их собственный геном, но и те гены, которые когда-то были митохондриальными, но затем вошли в состав генома клетки. Всего они выявили 394 таких гена и затем сравнили их с генами современных бактерий, считающихся родичами предков митохондрий.

Оказалось, что бактерии, давшие начало митохондриям, обладали АТФ/АДФ транслоказой, белком, который закачивал АТФ в обмен на АДФ, молекулу, образующуюся при расщеплении АТФ. Это значит, что первоначально митохондрии были энергетическими паразитами и отбирали у клеток АТФ. Но затем эукариотам удалось поставить бактерий-паразитов к себе на службу, изменив направление потока АТФ на противоположное.

Источник: infox.ru

Метициллин-резистентный золотистый стафилококк штамма СА (CA-MRSA), поражающий людей в Европе, на Ближнем Востоке и в Северной Африке, произошел от одного предка — бактерии, пришедшей из региона к югу Сахары. CA-MRSA отличается тем, что поражает молодых здоровых людей, и, как правило, заражение происходит вне медицинских учреждений. Выводы рабочей группы ученых из 19 университетов опубликованы в журнале Американского микробиологического сообщества.

«С ростом уровня инфицирования CA-MRSA в западном мире появился большой интерес к изучению происхождения этой бактерии и факторов, связанных с появлением отдельных штаммов, — говорит ведущий автор исследования Марк Штегер (Marc Stegger) из Государственного института вакцинации Дании. — Наше исследование установило, что один потомок метициллин-резистентного стафилококка, циркулирующего в странах Африки южнее Сахары, выделился и стал доминирующим элементом CA-MRSA, мигрировав в Европу и на Ближний Восток».

В ходе исследования Штегер и его коллеги из 19 других учреждений по всему миру проанализировали 97 образцов золотистого стафилококка из 22 стран Европы, Северной Африки, региона к югу от Сахары, на Ближнем Востоке и в Азии. 23 образца были чувствительны к метициллину, а 74 оказались устойчивыми к метициллину. Таким образом, команда определила две различные группы золотистого стафилококка: метициллин-чувствительные штаммы, который позитивно реагируют на все группы антибиотиков, и штаммы, устойчивые к антибиотикам.

По мнению ученых, метициллин-чувствительный золотистый стафилококк появился в Африке к югу от Сахары, далее переехал в другие страны в середине 1980-х благодаря нескольким факторам,  в том числе повышенной миграции из Африки. Одновременное приобретение устойчивости к метициллину и фусидовой кислоте может быть результатом столкновением с другими бактериями в Европе и Северной Африке.

Истчоник: Научная Россия

Взаимовыгодное сосуществование пчелиных волков с почвенными бактериями продолжается по меньшей мере с мелового периода. Из поколения в поколение осы передают микроорганизмов своему потомству, но как именно осуществляется этот процесс, до сих пор остается загадкой.

Окаменелость осыСимбиотические взаимоотношения широко распространены в живой природе и играют ключевую роль в экологии и эволюции большинства организмов. Например, микориза грибов является важнейшим пищевым партнером 90% всех наземных растений. Многие сложившиеся симбиозы способны длиться сотни миллионов лет, но механизм устойчивости таких связей до конца современной науке не ясен, ведь для этого участники симбиоза должны уметь различать своих и чужих.

Показателен в этом отношении "оборонительный союз", заключенный между осами-филантами, часто называемыми "пчелиными волками", и несколькими линиями почвенных бактерий. Филанты охотятся на пчел, которых закапывают затем в подземных гнездах в качестве пищи для подрастающих личинок. Бактериальные симбионты рода Streptomyces, живущие в полостях антенн "пчелиных волков" и на коконах их личинок, вырабатывают коктейль из девяти различных антибиотиков, защищающий личинок от вредных почвенных грибков и бактерий. Во многом эта стратегия напоминает комплексную профилактику, применяемую в человеческой медицине.

Реконструировав филогению нескольких видов филантов и их симбионтов, ученые немецкие палеонтологи из университета Регенсбурга и института химической экологии Макса Планка обнаружили, что симбиоз ос со Streptomyces возник не позже конца мелового периода, то есть около 68 млн лет назад. К настоящему времени уже около 170 видов ос живут в симбиозе с бактериями-"антибиотиками". Как выяснилось, осы разных видов способны обмениваться штаммами бактерий-симбионтов, но происходит ли это в результате хищничества или при повторном использовании гнезд друг друга, пока не ясно.

Кроме того, палеонтологи обнаружили, что осы-филанты способны передавать потомству только определенные штаммы бактерий, связанные с ними длительной симбиотической историей. Для этого осам подсаживали стрептомицесов, принадлежащих посторонним линиям. Как показали наблюдения, чужие бактерии прижились на антеннах филантов, но передача их на коконы личинок не состоялась. Со временем ученые надеются раскрыть молекулярные основы того, как "пчелиным волкам" удается избирательно предотвращать передачу посторонних бактерий.

"Установлено, что "пчелиные волки" иногда заменяют свои бактерии, но при этом они всегда меняют их на симбионта другого вида "волков", – рассказал ведущий автор исследования Мартин Кальтенпрот. – Несмотря на то, что свободно живущие родственники симбиотических бактерий очень распространены в среде обитания этих ос, они, видимо, не в состоянии стабильно поселяться на "пчелиных волках" и заменять собой "родных" симбионтов".

"Недопущение других – потенциально вредных – линий бактерий позволяет избежать заражения личинок. Одновременно осы гарантируют, что их потомство унаследует полезный защитный штамм", – пояснил, в свою очередь, соавтор Кальтенпрота Эрхард Стром. Стратегия передачи полезных симбионтов по наследству представляет собой уникальный пример симбиоза, остающегося стабильным на протяжении миллионов лет, и помогает объяснить изобилие и сохранение симбиотических ассоциаций в мире насекомых, отмечает EurekAlert!

Источник: PaleoNews

Больше – действительно значит лучше. Во всяком случае, так было в докембрийские времена, когда первые многоклеточные организмы вступили в жестокую борьбу за существование с прежними властителями Земли – плотными бактериальными сообществами.

Дно эдиакарского моря. Реконструкция: John Sibbick Исследовательская группа NASA похоже, нашла ответ на вопрос, почему на заре жизни примитивные микроскопические существа эволюционировали в более крупных животных. Большие рост и размер давали первым многоклеточным явные преимущества перед основными их конкурентами в борьбе за продовольственные ресурсы – бактериальными колониями, уверены американские и канадские ученые.

Группа смоделировала течения, существовавшие в мировом океане примерно 580 млн лет назад. Именно вода была в те времена основным источником необходимых для жизни веществ – минералов, кислорода и прочего. Поэтому, разобравшись с тем, что происходило с течениями, можно понять и почему живые существа вдруг стали быстро увеличиваться в размерах.

Основными объектами, которые исследовали палеонтологи в ходе своей работы, стали рангеоморфы – напоминавшие перья или щетки первые многоклеточные создания, встречающиеся довольно широко по всему миру и достигавшие размеров от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Они жили на экстремальных глубинах, где полностью отсутствовали возможности для фотосинтеза, уточнил ведущий автор исследования Дэвид Джейкобс, профессор эволюционной биологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Сложные поверхности рангеоморфов убеждает в том, что они поглощали необходимые им для жизни вещества прямо из морской воды, пишет UCLA Newsroom. Так же действовали и бактерии, с которыми первым многоклеточным пришлось конкурировать. Как оказалось, более крупные многоклеточные, приподнимаясь над морским дном, получали лучший доступ к ресурсам, переносимым придонными течениями. Более того, крупные скопления многоклеточных могли оказывать на эти течения определенное влияние, еще серьезнее улучшая условия своей жизни.

Самые высокие представители эдиакарской биоты, которую исследовало NASA, могли достигать метра и более в высоту, то есть обладали размерами, вполне сопоставимыми с современными живыми существами. В то же время бактериальные пленки – прежние обитатели донных пространств, были заключены в «двумерную плоскостную клетку», и не имели возможности дотянуться до более богатых ресурсами слоев течений.

После того, как эдиакарские многоклеточные получили преимущества в доступе к жизненно важным веществам, они смогли направить их на дальнейшее увеличение своих размеров, окончательно закрепив эволюционный успех, уверены исследователи.

"Науке всегда было сложно объяснить, как и почему ранние формы многоклеточных стали увеличиваться в размерах, – рассказал профессор университета Торонто Марк Лафламм. – Наше исследование позволяет прояснить вопрос о том, как из мира, в котором правят микроскопические бактерии, мы попали в сегодняшний мир современных растений и животных. Также мы смогли объяснить некоторые эволюционные механизмы кембрийского взрыва".

Источник: PaleoNews

Нового претендента на звание самого древнего живого существа на Земле открыли палеонтологи на западе Австралии, в местности под названием Пилбара. Речь идет даже не об одном существе, а о целом бактериальном сообществе, жившем 3,5 млрд лет назад в Западной Австралии.

Примерно в таких условиях формировались бактериальные маты Пилбары Все, что осталось от одного из первых в истории нашей планеты экспериментов с живыми существами, представляет собой крошечный обломок бактериального мата восьми миллиметров в толщину. Хотя эти микроорганизмы имеют все основания претендовать на роль предков современного человека, вряд ли нам понравилось бы находиться рядом с ними.

Дело в том, что древнейшие бактерии, напоминающие нормально чувствующих и сегодня пурпурных или зеленых водорослей, при жизни издавали сильнейший запах тухлых яиц. Как рассказал принимавший участие в их изучении минералог института Карнеги в Вашингтоне Роберт Хазен, создавшие мат бактерии преобразовывали энергию солнечного света, но вместо кислорода у них получалась "ужасно вонючая" сера. И они ровно на 300 млн лет старше предыдущих кандидатов на роль первых обитателей Земли.

Если бы мы прошлись по австралийским пляжам 3,5-миллиардной давности, то увидели бы на них слизистые сгустки коричневого и фиолетового цветов. А удушливый аромат сероводорода подсказал бы нам, что дела у этих бактерий идут просто замечательно. "В общем, это было не то место, куда хочется съездить в отпуск", – констатировал ученый.

По мнению исследователей, найденные ими упорядоченные структуры осадочных пород – бактериальные маты – возникли в результате взаимодействия колоний примитивных организмов с прибрежными отложениями. "Эти структуры дают нам четкий сигнал о том, что необходимые условия в этих местах действительно существовали, и бактерии, формирующие биопленки, могли это проделать", – отметила, в свою очередь, профессор Нора Ноффке из Old Dominion University, которая и нашла эту окаменелость.

Стоить отметить, что подобные объекты, именующиеся MISS (от английского microbially induced sedimentary structures – микробиологически индуцированные осадочные структуры), ищут, в частности, на Марсе американские самоходные лаборатории. Поэтому уточнение деталей древнейшего прошлого жизни в Австралии может способствовать и первому открытию инопланетных существ, где условия для их сохранения еще лучше, чем на Земле, пишет The Daily Mail.

Источник: PaleoNews

Слизевик Dictyostelium discoideum с момента своего открытия стал одним из главных модельных объектов в биологии: сначала его использовали при исследовании процессов, имеющих отношение к биологии развития и эволюции многоклеточности, а позже оказалось, что с помощью Dictyostelium discoideum можно изучать ещё и социально-экологические взаимосвязи. Причиной такой научной популярности стал особый образ жизни, который ведёт слизевик. Dictyostelium discoideum питается почвенными бактериями и может долгое время существовать в виде одноклеточных амёб, но когда пищи становится мало, амёбы сливаются друг с другом в крупное многоклеточное образование, в котором происходит дифференциация клеток и образование плодового тела. На нём появляется стебельчатый вырост, на котором сидит сорус с набором спор, и из них позже получаются новые одноклеточные амёбы. 

D. discoideum на многоклеточной стадии (фото Carolina Biological). Биологию Dictyostelium discoideum начали изучать в лаборатории, однако лабораторное культивирование было не совсем то (а точнее, совсем не то), к чему слизевик привык на воле, а потому между ним и учёными возникло, скажем так, некоторое недопонимание. В 1998 году исследователи из Университета Райса (США) обнаружили на некоторых диких клонах слизевика бактерии, сидевшие на спороносных органах. Оказалось, что, даже будучи очищенными от бактерий, Dictyostelium discoideum подбирали их снова, причём бактерии были именно теми, какие слизевик употреблял в пищу.

Получалось, что эти почвенные амёбы держали при себе запас пищи, поступая подобно фермерам, разводящим скот. Примерно треть диких клонов оказались такими «фермерами»; что же до лабораторных слизевиков, то они, во-первых, могли быть потомками тех, кто фермерством не увлекался, а во-вторых, условия культивации не обязательно соответствовали намерениям слизевиков иметь при себе запас бактерий. 

Статья про амёб-фермеров вышла в 2011 году в Nature, однако история на этом не закончилась. Исследователи заметили, что далеко не все бактерии при слизевиках съедобны (то есть не все годятся в пищу самим слизевикам). Тут же возникло множество вопросов: то ли это бактерии-«попутчики», присоединившиеся к выращиваемым бактериям-«коровам», то ли паразиты, наносящие вред слизевикам, то ли что-то ещё. Выяснилось, что Dictyostelium discoideum с такими несъедобными бактериями росли даже активнее, чем без них. Тогда и родилась идея о том, что эти бактерии нужны слизевикам не для прокорма в трудные времена, а для защиты. 

Дальнейшие эксперименты это подтвердили. Во-первых, эти бактерии помогали подавить слизевиков-конкурентов. Не все штаммы Dictyostelium discoideum держат при себе бактерии, но все ими питаются, и те, кто занимается «фермерством», могут просто красть чужих «коров». Несъедобные бактерии, которых держат при себе слизевики-«фермеры», подавляют развитие потенциальных грабителей: под действием каких-то бактериальных биомолекул у слизевиков-«нефермеров» появляется наполовину меньше спор. Во-вторых, по словам исследователей, защитные бактерии ещё как-то сами по себе стимулируют рост приютивших их слизевиков. 

В Nature Communications Дебра Брок, Дэвид Келлер и Джоан Страссман, работающие теперь в Вашингтонском университете в Сент-Луисе (США), обсуждают, почему фермерский симбиоз, с одной стороны, оказался таким устойчивым среди слизевиков, а с другой — не распространился на все штаммы D. discoideum.

Когда еды много, «фермеры» уступают «нефермерам», так как первые не съедают всё, что есть, а оставляют часть бактерий «на развод». «Нефермеры» же сметают всё подчистую, а потому могут расти и размножаться интенсивнее. Но избыток еды время от времени заканчивается, и тогда преимущество получают «фермеры», у которых еда есть всегда.

Однако они не имели бы такового, если бы при них не было ещё одних симбионтов — бактерий, в прямом смысле отравляющих жизнь конкурентам-«нефермерам». В противном случае конкуренты бы объедали «фермеров», сведя всё их преимущество на нет.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Социальные сети бактерий давно престали быть для учёных новостью. Представления о микрофлоре как о куче обособленных бактериальных клеток за последнее десятилетие почти полностью исчезло, и теперь любую бактериальную «тусовку» рассматривают именно как сообщество — где все друг с другом общаются, помогают и т. д. Теперь исследователи заняты тем, что постепенно расшифровывают механизмы, с помощью которых бактерии поддерживают свои социальные сети. Обычно в таких случаях речь идёт о химических «средствах информации»; иногда же удаётся найти нечто уникальное в своей необычности (как это было с бактериальными электрическими проводами).

Фрагмент межбактериальной перемычки из мембранных пузырьков под электронным микроскопом (здесь и ниже фото авторов работы).Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) обнаружили ещё один способ объединения бактерий в социальную сеть. Наблюдая за обычной почвенной бактерией Myxococcus xanthus, Манфред Ауэр и его сотрудники обратили внимание на мембранные нитевидные перемычки, соединяющие клетки бактерий. Эту межбактериальную сеть учёные описывают в журнале Environmental Microbiology; ирония же здесь в том, что то же самое видели многие исследователи и до группы г-на Ауэра, но все считали это артефактом, осколками клеток, разрушенных при отборе и анализе образцов.

То, что сеть действительно существует, удалось доказать с помощью особой трёхмерной сканирующей электронной микроскопии.

Бактерии часто обмениваются между собой химическими сигналами, причём эти сигналы они просто выделяют в окружающую среду. Однако это всё равно что обсуждать секретные военные планы в «Твиттере»: другие бактерии легко могут «подслушать» эти сообщения и использовать полученную информацию, чтобы, например, лишить конкурентов доступа к пище. Поэтому, для пущей секретности, бактерии упаковывают свои химические сообщения в мембранные пузырьки. Эти пузырьки объединяются в цепочки, которые потом находят соседнюю клетку.

Эти цепочки (которые напоминают скорее ожерелья, нежели ровные гладкие провода) соединяют только клетки M. xanthus. То есть бактериям не надо бояться, что их «подслушают» враги: наоборот, сами M. xanthus могут договариваться между собой, как им лучше вытеснить конкурентов с территории.

Впрочем, пока что от открытия больше вопросов, чем ответов. Учёным только предстоит понять, почему клетки другого вида не могут подсоединяться к таким проводам, и как, собственно говоря, по ним происходит передача сигналов. Однако в том, что эти перемычки служат именно для общения, для передачи сигнальных молекул, авторы нисколько не сомневаются.

 Модель образования межбактериальных проводов из набора мембранных пузырьков.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Новые виды могут появиться благодаря географическим и экологическим барьерам, которые разделяют прежде единую популяцию. Особи из одной части популяции не могут пересечь, к примеру, реку, чтобы смешать свои гены с особями из другой части, и в результате из-за накапливающихся генетических различий они становятся разными видами.

Оса Nasonia vitripennis, откладывающая яйца в личинку хозяина (фото Elizabeth Cash).Однако для этого, как показали исследователи из Университета Вандербильта (США), вовсе не обязательно, чтобы на территории популяций вырастали горы, а реки меняли своё русло: достаточно лишь кишечной микрофлоры.

Учёные давно заметили, что разные виды животных дают приют разным видам бактерий, и несовпадение в видовом составе микробов отражает эволюционную дистанцию между их хозяевами. Однако до сих пор не было понятно, возникают ли такие различия в микрофлоре только лишь благодаря смене питания, то есть на смену одним микробам приходят другие, либо бактерии эволюционируют вместе с теми, в ком живут.

Чтобы прояснить этот вопрос, Роберт Брукер и Сет Бордерштейн предприняли ряд опытов с двумя близкими видами паразитических ос, Nasonia giraulti и Nasonia vitripennis. Их эволюционные пути разошлись где-то миллион лет назад, но до сих пор и N. giraulti, и N. vitripennis паразитируют на одних и тех же насекомых, то есть никаких экологических барьеров между видами нет. При этом, однако, если произойдёт межвидовое скрещивание, то 90% новорождённых самцов в потомстве погибнут.

Исследователи обнаружили, что в кишечнике ос живут бактерии рода Providencia и ещё один вид, называемый Proteus mirabilis. Обычно Providencia преобладают, но при межвидовом скрещивании в пищеварительном тракте у потомства начинают доминировать P. mirabilis. Учёные предположили, что именно неправильный состав микрофлоры служит причиной массовой гибели гибридного потомства. Они попробовали накормить ос-гибридов антибиотиками — и в результате половина потомства выжила. Если же таким осам, избавленным от собственных бактерий, давали смесь Providencia и P. mirabilis, то большинство личинок погибало.

То есть смешению видов препятствует не несовместимость их генов сама по себе, а неспособность полученной смеси генов правильно организовать работу микрофлоры, наладить, так сказать, диалог между бактериями и организмом личинки.

В журнале Science авторы работы пишут, что у гибридов иммунитет не мог должным образом контролировать микрофлору. У них на 40% повышалась активность иммунных генов, вызывая что-то вроде аутоиммунного расстройства. Если же гибридов лишали бактерий, их иммунитет вёл себя нормально.

Так или иначе, именно бактерии в своё время сыграли для ос видообразующую роль, воспрепятствовав смешению генов внутри популяции. Поэтому влияние микрофлоры на эволюцию можно смело поставить рядом с горами, реками и прочими масштабными географическими и экологическими факторами.

Истчоник: КОМПЬЮЛЕНТА

Озеро Восток — седьмое по объёму и четвёртое по глубине на Земле (250×50 км при глубине 1,2 км), но вот слишком оживлённым его назвать трудно: почти 4-километровый ледяной панцирь, накрывающий водоём, делает его ближе к подлёдному океану Европы, нежели к какому-нибудь там Эри или Гурону. Света нет, фотосинтеза, скорее всего, тоже, температура ожидаемо невысока, поступление питательных веществ извне равно нулю... Впрочем, повод надеяться на жизнь всё-таки был.

Как полагают исследователи, нижние слои озера, заполненные осадочными отложениями и подогреваемые гидротермальными источниками, могут быть анаэробными, а верхние слои, напротив, насыщены кислородом. Возможные виды метаболизма «востоковцев». (Здесь и ниже иллюстрации Shtarkman et al.) И тем не менее метагеномный анализ из четырёх образцов льда, образованного водой из этого озера, показал наличие 3 507 уникальных последовательностей генов на 500 мл пресной воды. Группа учёных под руководством Юрия Штаркмана, сейчас работающего в Национальной лаборатории Оук-Ридж (США), уверена: теперь нельзя сказать, что это какие-то пришельцы, попавшие в озеро с буровой жидкостью. Из всего этого богатства удалось идентифицировать лишь 1 623 последовательности, остальные являются новыми видами, родственные связи которых часто очень сложно проследить, что говорит о длительном развитии в замкнутой экосистеме.

Правда, надёжно удалось установить то, что 94% последовательностей принадлежали к роду Bacteria и ещё 6% к более продвинутым эукариотам. При этом лишь две последовательности генов относились к археям — самым примитивным одноклеточным, напоминая при этом метанотрофов, известных по океанскому дну открытых водоёмов. Напомним, что ранее считалось, что археи, а это образцовые экстремофилы, могут быть очень широко представлены в «живом мире» озера Восток. Что ж, приспособляемость бактерий и эукариотов вновь была недооценена.

В целом биота оказалась очень сходной с обычной, представленной в самых разных озёрах, солоноватых водах, среде морского дна, почве, ледниках и донных отложений обычных озёр. Причём были найдены как последовательности генов анаэробов, так и аэробы, равно как и холодолюбивые психрофилы, термофилы, галофилы, алкалифилы, ацидофилы, устойчивые к высыханию виды, а также различные автотрофы и гетеротрофы, включая — внимание! — некоторое количество многоклеточных организмов.

Таких последовательностей было около 150, большинство составляли грибы. Однако были найдены и последовательности генов членистоногих — довольно сложных животных, которых мало кто ожидал увидеть в таком месте, как подлёдное озеро, да на глубине в 3,7 км. По всей видимости, среди них есть очень близкие родственники дафний и ногоховосток из семейства Entomobryidae. Более того, среди многоклеточных были и организмы, идентифицировать родственные связи которых не удалось.

Также были найдены гены двусторонне-симметричных, коловраток, тихоходок, моллюсков и стрекающих. Но самого интересного, как всегда, сразу не увидишь: среди бактерий отыскались следы паразитов и симбионтов, проживающих в пищеварительной системе креветок, раков и рыб. Само собой, не обошлось и без почти родных для нашего собственного вида E. Coli и Salmonella. Вряд ли они просто заплыли за буйки: есть основания предполагать, что где-то в озере живут и их хозяева.

Как всё это понимать, если, как мы хорошо знаем, концентрация кислорода в Востоке в 50 раз выше обычной озёрной, а давление превышает 300 атмосфер? Вроде бы из этого следует, что жить там не должны даже одноклеточные, причём максимально неприхотливые... Ранее Сергей Булат, заведующий группой Петербургского института ядерной физики (Россия) сообщал, что науке неизвестны группы «кислородолюбивых» бактерий, так как бактерии появились до формирования кислородной среды на планете.

В принципе, нечто подобное учёные подозревали ещё до анализа: все эти факторы могут убить обитателей вашего домашнего аквариума, но у озера Восток на переход от поверхностного водоёма, окружённого нормальными лесами (35 млн лет назад), к периодически оттаивающему (15 млн лет назад), а затем и сегодняшнему сверхглубокому был очень плавным. В этом случае живые организмы, потреблявшие кислород, могли до некоторой степени смягчить проблему его избытка, не допуская совсем уж запредельных концентраций. Наличие в воде генов бактерий-термофилов говорит нам, что в озере есть гидротермальные источники, подогревающие его и, возможно, даже служащие основой для фотосинтеза (одна бактерия, найденная в озере, обычно растёт на морских водорослях). А там где есть всё это, логично ждать и животную жизнь. 

Но — и это факт — никто не ждал такого разнообразия до начала бурения. По сути, перед нами тысяча новых видов, и это при том, что пока учёные лишь скребутся по поверхности, ведь забранный лёд содержал воду из верхних слоёв озера, что намёрзла на его ледяную шапку.

Как отмечают авторы исследования, мы стоим перед переосмыслением того, какую среду следует считать обитаемой, а какую — нет. Если многоклеточные организмы могут жить без Солнца и доступа к атмосфере и речным стокам, несущим полезные минералы, да ещё миллионы лет подряд, то с высокой вероятностью они могли бы проделать то же самое в подлёдных океанах Европы, Каллисто и других спутников планет-гигантов Солнечной системы.

Впрочем, почему только Солнечной?

Истчоник: КОМПЬЮЛЕНТА

У человека, как известно, генов в пять раз больше, чем у кишечной палочки: 20 000 против 4 100. (При этом речь идёт, разумеется, только о тех последовательностях ДНК, которые кодируют белки, всякие регуляторные и «мусорные» участки генома не учитываются.) Научившись считать гены, мы неизбежно должны были задаться вопросом: сколько генов необходимо для жизни? Не для жизни человека, не для жизни бактериальной клетки, а для жизни вообще? Экспериментальным путём, последовательно выключая бактериальные гены, удалось выяснить, что их число можно уменьшить до 302, и все они были нужны для действительно важных процессов, вроде копирования ДНК или биосинтеза белка.

Виноградный мучнистый червец Planococcus citri управляет бактериями-симбионтами с помощью генов, доставшихся от других бактерий. (Фото Gellérfi Péter.)И вслед за этим исследователям захотелось узнать, нет ли в природе организма, который бы сам по себе обходился таким минимальным количеством генетической информации? Когда в 1969 году открыли бактерии микоплазм, у которых всего 475 генов, то все решили, что это и есть самый маленький геном. (Вирусы в расчёт не брали, так как они не размножаются сами, а лишь с помощью чужих генов.) Но потом была обнаружена бактерия Tremblaya princeps, чей геном состоит всего из 120 генов

Эта бактерия — симбионт мучнистого червеца Planococcus citri, при этом сама она служит хозяином для бактерии Moranella endobia, геном которой состоит уже из 406 генов. Мы уже рассказывали об этом удивительном матрёшечном симбиозе: бактерии помогают червецу получать аминокислоты и витамины из растительного сока, причём биохимические процедуры выполняются всеми тремя участниками, что слегка напоминает конвейер с разделением труда, в котором разные люди выполняют разные работы над одной и той же деталью.

Международная группа исследователей под руководством Джона Маккатчена из Университета Монтаны (США) решила узнать генетическую историю этого необычного симбиоза, в котором ни один участник не может выжить без остальных. Оказалось, как пишут учёные в Cell, симбиотическая матрёшка складывалась не так, как обычная. Сначала к червецу подселилась T. princeps, с которой насекомое получило возможность питаться растительным соком. При этом сама бактерия не замедлила избавиться от большей части генов. И лишь сильно позже к симбиозу присоединилась M. endobia, которая, пожив в какое-то время в червеце, перебралась внутрь T. princeps. И тогда уже сама T. princeps получила возможность уменьшить число своих генов до пресловутых 120 штук.

Но это не всё. Сейчас в червецах никаких других бактерий, кроме вышеназванных, не живёт — но раньше явно жили. Исследователи обнаружили в геноме самого червеца некие гены, которые были похожи на гены бактерий, по сей день существующих в разных животных. То есть в прошлом червец давал приют разным микробам: по прикидкам авторов, у него гостили шесть видов бактерий, отдельные гены которых сохранялись в геноме хозяина. Впоследствии оказалось, что лучше T. princeps и M. endobia друзей нет, однако, как полагают учёные, червец мог использовать гены, полученные от предыдущих бактерий, чтобы управлять новыми гостями, дабы направить, так сказать, новое сотрудничество в наиболее выгодное русло.

Всё это заставляет усомниться в полезности концепции минимального генома. Идеальный набор генов, необходимых и достаточных для поддержания жизни, может быть воссоздан, очевидно, только в лаборатории. В природе же, чем меньше генов остаётся у организма, тем сложнее сказать, живёт ли этот организм за счёт самого себя, или поддержка приходит со стороны — порой от давно исчезнувших «партнёров», как в случае с «бывшими» бактериями червеца. И в результате минимальный геном оказывается до какой-то степени «сферическим конём в вакууме».

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Чередование растительных культур на сельскохозяйственных полях преследует две цели. Во-первых, у разных растений разные требования к почве, и, варьируя культуры, мы защищаем почву от истощения по какому-то одному показателю: если кукуруза предпочитает вещество А, а соя благоволит веществу Б, то в год сои почва восстанавливает вещество А, которого стало много меньше после года кукурузы. Во-вторых, ротация культур предотвращает вспышки численности вредителей. Многие из них предпочитают питаться на ограниченном наборе видов и просто уходят с поля, если не могут найти то, что им нужно. На следующий год можно сажать то, чего в прошлом году хотелось вредителям, ибо их просто не будет. 

Кукурузный жук. (Фото Coastlander.) Но иногда такой способ борьбы с вредителями даёт осечку, как это случилось, например, с кукурузным жуком (западным кукурузным корневым листоедом) Diabrotica virgifera virgifera.

Чередуя кукурузу, которой питается этот жук, с соей, американским фермерам довольно долго удавалось держать численность вредителя под контролем. Личинки жука живут под землёй, на корнях кукурузы, и, превратившись во взрослых насекомых, они ещё какое-то время остаются там же, чтобы отложить яйца рядом с источником пищи. Если же на месте кукурузы окажется соя, у которой есть специальные системы защиты от жука, 70% личинок погибает.

Но в какой-то момент этот способ перестал работать, и «соерезистентный» жук отправился на завоевание Америки. 

Исследователям из Университета Иллинойса в Урбане и Шампейне (США) удалось выяснить, что позволило кукурузному жуку приспособиться к смене культур. Во-первых, жуки стали откладывать яйца не только на корнях кукурузы, но и на корнях других растений. А во-вторых (и в-главных), они обрели способность питаться именно соей. А помогли им в этом желудочно-кишечные бактерии. 

Устойчивость жуков к сое оказалась такова, что вместо 70% личинок погибало всего 20%. Но если жуков обрабатывали антибиотиком, то их выживаемость падала до прежнего уровня. Дальнейшие исследования подтвердили, что микрофлора у устойчивых жуков сильно отличается от микрофлоры обычных вредителей: некоторые виды бактерий наблюдались только у устойчивых насекомых.

Действие сои на жуков заключалось в подавлении пищеварительных ферментов, но в присутствии бактерий ферменты у насекомых работали по-прежнему. 

Пока не очень ясно, то ли бактерии сами производят нужный фермент на замену тому, чью активность подавила соя, то ли они освобождают от влияния сои собственные ферменты жуков. Так или иначе, в борьбе с вредителями нужно учитывать, что их устойчивость к ядам может возникнуть не только из-за их собственных генетических мутаций, но и в силу вот такой помощи со стороны бактериальных (и, возможно, не только бактериальных) симбионтов.

Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS.

Истчоник: КОМПЬЮЛЕНТА

Самая популярная гипотеза возникновения хлоропластов и митохондрий состоит в том, что те и другие исходно были бактериями и попали в клетки пра-(пра)-праэукариот в качестве паразитов и/или симбионтов. Потом одни бактериальные гости превратились в митохондрии и произвели тем самым революцию в энергоснабжении клетки, а другие стали хлоропластами, и с этого момента началась эволюция растений.

Хлоропласты в растительной клетке. (Фото BASF - The Chemical Company.)Но когда это произошло? События настолько древние, что ни о каких точных датах говорить не приходится. А приблизительность оценок такова, что, например, время появления эукариот «плавает» от 800 млн до 3 млрд лет назад. С такой же «точностью» определяют и время возникновения хлоропластов и митохондрий.

Но исследователям из Калифорнийского университета в Беркли (США) всё-таки удалось внести некую ясность в вопрос. До сих пор подобные оценки основывались на трудноразличимых микробных следах в палеонтологических находках и не очень внятных биохимических маркерах, которые удавалось в таких следах обнаружить. Николас Матцке и Патрик Ши пошли по другому пути: они оценивали возраст митохондрий и хлоропластов по их же генам. Как известно, эти органеллы имеют собственную ДНК и собственную молекулярную машинерию для белкового синтеза. Оставалось только понять, какие гены у них могли меньше всего измениться с тех незапамятных времён, когда и митохондрии, и хлоропласты были самостоятельными организмами.

Митохондрии в клетке лёгких. (Фото Kallista Images.)В итоге исследователи остановились на генах АТФ-синтаз — белках, которые непосредственно отвечают за синтез главной энергетической молекулы любой клетки, АТФ. Эти белки есть и в ядерном геноме, и в митохондриальном, и в хлоропластном. Они очень консервативны, и по изменениям в них можно оценить, когда происходили самые важные события в жизни на Земле. Разумеется, сравнивая изменения в генах ядра и органелл, учитывалось, что все они менялись неравномерно, с разной скоростью. Кроме того, авторы работы использовали палеобиологические данные, полученные от растительных и животных останков, которые считаются более надёжными свидетелями, нежели ископаемые микробы.

В статье в PNAS исследователи пишут, что древние протеобактерии, от которых, скорее всего, пошли митохондрии, проникли в эукариотические клетки около 1,2 млрд лет назад. Это не слишком расходится с более ранними оценками. Но с ними сильно расходится возраст растительного фотосинтеза, который, как сказано в статье, «родился» 900 млн лет назад, когда первые цианобактерии попали в клетки древних праэукариот. Цианобактерии научились фотосинтезировать давно (они вообще жили на Земле уже во времена архея), однако до сих пор считалось, что их совместная жизнь с эукариотами началась гораздо раньше, едва ли не 2 млрд лет назад.

В целом такой подход, по словам авторов работы, позволяет снизить неопределённость временнóй оценки на 14–6%. Так что, возможно, палеобиологи вскоре смогут пользоваться не столь широкими и неопределёнными рамками, какие были в ходу до сих пор, особенно в отношении событий, происходивших миллиарды лет назад.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

7. Классификация бактерий

    Наибольшую известность получила фенотипическая классификация бактерий,   основанная на строении их клеточной стенки, включённая, в частности, в IX   издание Определителя   бактерий Берги (1984—1987). Крупнейшими таксономическими группами в ней стали 4   отдела: Gracilicutes (грамотрицательные), Firmicutes (грамположительные), Tenericutes (микоплазмы;   отдел с единственным классом Mollicutes) и Mendosicutes (археи).

В последнее время всё большее развитие получает филогенетическая   классификация бактерий,   основанная на данных молекулярной биологии. Одним из первых методов оценки   родства по сходству генома был предложенный ещё в 1960-х годах метод сравнения содержания гуанина и цитозина в ДНК. Хотя   одинаковые значения их содержания и не могут дать никакой информации об   эволюционной близости организмов, их различия на 10 % означают, что бактерии не   принадлежат к одному роду. Другим методом, произведшим в 1970-е настоящую   революцию в микробиологии, стал анализ последовательности генов в 16s   рРНК, который позволил выделить несколько филогенетических ветвей эубактерий   и оценить связи между ними. Для классификации на уровне вида применяется метод   ДНК-ДНК гибридизации. Анализ выборки хорошо изученных видов позволяет   считать что 70 % уровень гибридизации характеризует один вид, 10—60 % — один   род, менее 10 % — разные рода.

Филогенетическая классификация отчасти повторяет фенотипическую, так, группа Gracilicutes присутствует и в той и в другой. В то же время систематика   грамотрицательных бактерий была полностью пересмотрена, архебактерии и вовсе выделены в самостоятельный таксон высшего ранга,   часть таксономических групп разбита на части и перегруппирована, в одни группы   объединены организмы с совершенно разными экологическими функциями, что вызывает   ряд неудобств и недовольство части научного сообщества. Объектом нареканий   становится и то, что проводится фактически классификация молекул, а не   организмов.

  8. Происхождение, эволюция, место в развитии жизни на Земле

Рис. 8.1. Докембрийский строматолитБактерии наряду с археями были одними из первых живых организмов на Земле,   появившись около 3,9—3,5 млрд лет назад. Эволюционные взаимоотношения между   этими группами ещё до конца не изучены, есть как минимум три основные   гипотезы:   Н. Пэйс предполагает наличие у них общего предка протобактерии, Заварзин считает архей тупиковой ветвью эволюции эубактерий, освоившей экстремальные   местообитания; наконец, по третьей гипотезе археи — первые живые организмы, от   которых произошли бактерии.

Эукариоты возникли в результате симбиогенеза из бактериальных клеток намного позже: около 1,9—1,3 млрд лет назад. Для   эволюции бактерий характерен ярко выраженный физиолого-биохимический уклон: при   относительной бедности жизненных форм и примитивном строении, они освоили   практически все известные сейчас биохимические процессы. Прокариотная биосфера имела   уже все существующие сейчас пути трансформации вещества. Эукариоты, внедрившись   в неё, изменили лишь количественные аспекты их функционирования, но не   качественные, на многих этапах циклов элементов бактерии по-прежнему сохраняют   монопольное положение.

Одними из древнейших бактерий являются цианобактерии. В породах, образованных   3,5 млрд лет назад, обнаружены продукты их жизнедеятельности — строматолиты (рис.8.1),   бесспорные свидетельства существования цианобактерий относятся ко времени   2,2—2,0 млрд лет назад. Благодаря ним в атмосфере начал накапливаться кислород,   который 2 млрд лет назад достиг концентраций, достаточных для начала аэробного дыхания.   К этому времени относятся образования, свойственные облигатно аэробной Metallogenium.

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

Предполагается что из-за отсутствия полового процесса, эволюция бактерий идёт по совершенно иному механизму, нежели у эукариот.   Постоянный горизонтальный перенос генов приводит к неоднозначностям в картине   эволюционных связей, эволюция протекает крайне медленно (а, возможно, с   появлением эукариот и вовсе прекратилась), зато в изменяющихся условиях   происходит быстрое перераспределение генов между клетками при неизменном общем   генетическом пуле.

 9. Роль бактерий в природе

    Многие бактерии вызывают болезни человека, животных и растений, другие играют   исключительно важную роль в функционировании биосферы,   например, лишь бактерии способны ассимилировать   азот атмосферы. Бактерии являются одними из наиболее просто устроенных живых   организмов (кроме вирусов). Полагают, что они —   первые организмы, появившиеся на Земле.

  Экологические и биосферные функции

    Количество клеток прокариот оценивается в 4—6 х 10³⁰, их суммарная   биомасса составляет 350—550 млрд т., в ней запасено 60—100 % от углерода всех растений, а запас азота и фосфора в виду их большего   относительного содержания в бактериях существенно превосходит запас этих   элементов в фитомассе Земли. В то же время бактерии характеризуются коротким   жизненным циклом и высокой скоростью обновления биомассы. Уже на основании этого   можно оценить их вклад в функционирование основных биогеохимических циклов.

Бактерии способны расти как в присутствии атмосферного кислорода (аэробы), так   и при отсутствии (анаэробы).   Участвуют в формировании структуры и плодородия почв, в образовании полезных   ископаемых и разрушении растительной и животной мортмассы; поддерживают   запасы углекислого газа и кислорода в атмосфере.

  Патогенные бактерии

Рис. 9.1. Микрофотография бацилл сибирской язвы. Окраска по ГрамуПатогенными называются бактерии, паразитирующие на других организмах. Бактерии вызывают большое количество заболеваний человека,   таких как чума (Yersinia pestis), сибирская   язва (Bacillus anthracis, рис.9.1), лепра (проказа, возбудитель: Mycobacterium leprae), дифтерия (Corynebacterium diphtheriae), сифилис (Treponema pallidum), холера (Vibrio   cholerae), туберкулёз (Mycobacterium tuberculosis), листериоз (Listeria monocytogenes) и др. Открытие патогенных свойств у бактерий   продолжается: в 1976 обнаружена болезнь   легионеров, вызываемая Legionella pneumophila, в 1980-е—1990-е было показано, что Helicobacter   pylori вызывает язвенную болезнь и даже рак   желудка, а также хронический гастрит.   Бактериальным инфекциям подвержены также растения и животные. Многие бактерии,   являющиеся в норме безопасными для человека или даже обычными обитателями его   кожи или кишечника, в случае нарушения иммунитета или общего ослабления организма могут выступать в качестве патогенов.

Опасность бактериальных заболеваний была сильно снижена в конце XIX века с изобретением   метода вакцинации,   а в середине XX века с   открытием антибиотиков.

  Бактерии в мутуалистических отношениях с другими организмами

    Многие бактерии находятся в симбиотических, в   том числе в мутуалистических отношениях с другими организмами. Растения, например, выделяют значительную долю   созданной в процессе фотосинтеза органики поверхностью корней. Преобразованная   таким образом часть почвы (ризосфера) благоприятна для развития бактерий, в том   числе азотфиксирующих. Увеличение интенсивности азотфиксации (называемой в таком   случае ассоциативной) улучшает условия минерального питания растений.   Бактерии-азотфиксаторы обитают также в клубеньках бобовых и других групп растений. В симбиозе со многими морскими животными   (прежде всего, губками и асцидиями, а также с   некоторыми растениями (например, водным   папортником азолоой) и грибами (в составе лишайников) живут и цианобактерии.   Хемоавтотрофные бактерии живут в симбиозе с рифтиями и многими другими   видами беспозвоночных и протистов, населяющих сообщества гидротерм и сообщества тиобиоса.   Есть и много других примеров симбиоза бактерий с самыми разными группами   организмов.

Бактерии населяют желудочно-кишечный тракт животных и человека и необходимы   для нормального пищеварения. Особенно они важны для травоядных, которые питаются   не столько растительной пищей, сколько продуктами её бактериального   преобразования, а частично переваривают и самих бактерий.

  Бактерии и человек

Тысячелетиями человек использовал молочнокислые   бактерии для производства сыра, йогурта, кефира, уксуса, а также квашения.

В настоящее время разработаны методики по использованию фитопатогенных   бактерий в качестве безопасных гербицидов,   энтомопатогенных — вместо инсектицидов.   Наиболее широкое применение получила Bacillus thuringiensis, выделяющая   токсины (Cry-токсины),   действующие на насекомых. Помимо бактериальных инсектицидов, в сельском   хозяйстве нашли применение бактериальные   удобрения.

Бактерии, вызывающие болезни человека, используются как биологическое   оружие.

Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии   активно применяются в научных исследованиях по молекулярной   биологии, генетике, генной   инженерии и биохимии.   Самой хорошо изученной бактерией стала Escherichia coli.   Информация о процессах метаболизма бактерий позволила производить бактериальный   синтез витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков и др.

Перспективным направлением является обогащение руд с помощью сероокисляющих   бактерий, очистка бактериями загрязнённых нефтепродуктами или ксенобиотиками   почв и водоёмов.

В кишечнике человека в норме обитает от 300 до 1000 видов бактерий общей   массой до 1 кг, численность их клеток на порядок превосходит численность клеток   человеческого организма. Они играют важную роль в переваривании   углеводов, синтезируют витамины,   вытесняют патогенные бактерии. Можно образно сказать, что микрофлора человека   является дополнительным «органом», который отвечает за защиту организма от   инфекций и пищеварение.

 1, 2, 3

А.С.Антоненко

3. Способы передвижения бактерий и их раздражимость           

    Многие бактерии подвижны. Имеется несколько принципиально различных типов   движения бактерий. Наиболее распространено движение   при помощи жгутиков: одиночных бактерий и бактериальных ассоциаций (роение).   Частным случаем этого также является движение спирохет,   которые извиваются благодаря аксиальным   нитям, близким по строению к жгутикам, но расположенным   в периплазме. Другим типом движения является скольжение   бактерий, не имеющих жгутиков, по поверхности твёрдых сред. Его механизм   пока недостаточно изучен, предполагается участие в нём выделения слизи   (проталкивание клетки) и находящихся в клеточной стенке фибриллярных нитей,   вызывающих «бегущую волну» по поверхности клетки. Наконец, бактерии могут   всплывать и погружаться в жидкости, меняя свою плотность, наполняя газами или   опустошая аэросомы.

Бактерии активно передвигаются в направлении, определяемом теми или иными   раздражителями. Это явление получило название таксис.

4. Метаболизм           

  Конструктивный метаболизм           

Рис. 4.1. Pseudomonas fluorescensЗа исключением некоторых специфических моментов биохимические пути, по   которым осуществляется синтез белков, жиров, углеводов и нуклеотидов,   у бактерий схожи с таковыми у других организмов. Однако по числу возможных   вариантов этих путей и, соответственно, по степени зависимости от поступления   органических веществ извне они различаются. Часть из них может синтезировать все необходимые им органические молекулы из   неорганических соединений (автотрофы),   другие же требуют готовых органических соединений, которые они способны лишь   трансформировать (гетеротрофы).

Наибольшей степенью гетеротрофности отличаются внутриклеточные паразиты. Если   при этом они способны существовать на богатых искусственных средах, они   называются факультативными (факультативными иногда также называют паразитов,   способных проделывать весь свой жизненный цикл во внешней среде, без участия   хозяина). Некоторые облигатные (обязательные) внутриклеточные паразиты утратили   часть путей биосинтеза и получают многие органические вещества, вплоть до АТФ,   из клеток хозяина. Велика степень зависимости от хозяев также многих бактерий-эндосимбионтов.   Большинство бактерий принадлежит к сапрофитам:   они не питаются непосредственно веществами других организмов, но используют   синтезированные ими органические вещества после их смерти. Существует также ряд   бактерий, требующих наличия в среде небольшого круга определённых органических   веществ (аминокислот, витаминов),   которых они не могут синтезировать самостоятельно и, наконец, гетеротрофы,   которые нуждаются лишь в одном довольно низкомолекулярном источнике углерода (сахар, спирт, кислота). Некоторые из   них отличаются высокой специализацией (Bacillus fastidiosus может   использовать только мочевую   кислоту), другие в качестве единственного источника углерода и энергии могут   использовать сотни различных соединений (многие Pseudomonas (рис. 4.1)).

Удовлетворять потребности в азоте бактерии могут как за счёт его   органических соединений (подобно гетеротрофным эукариотам), так и за счёт   молекулярного азота (как и некоторые археи). Большинство бактерий используют для   синтеза аминокислот и других азотсодержащих органических веществ неорганические   соединения азота: аммиак (поступающий в   клетки в виде ионов аммония), нитриты и нитраты (которые предварительно   восстанавливаются до ионов аммония). Фосфор они способны   усваивать в виде фосфата, серу — в виде сульфата или реже сульфида.

Энергетический метаболизм          

Способы же получения энергии у бактерий отличаются своеобразием. Существует три вида получения энергии (и все три известны у бактерий): брожение, дыхание и фотосинтез.

Брожение —   серия окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых образуются   нестабильные молекулы, с которых остаток фосфорной кислоты переносится на АДФ с   образованием АТФ (субстратное   фосфорилирование). При этом возможно внутримолекулярное окисление и   восстановление.

Дыхание —   окисление восстановленных соединений с переносом электрона через локализованную   в мембране дыхательную   электронтранспортную цепь, создающую трансмембранный градиент протонов, при   использовании которого синтезируется АТФ (окислительное   фосфорилирование). В то время как эукариоты в конечном итоге почти всегда   "сбрасывают" электрон на кислород (лишь   в редких случаях акцептором электронов могут служить нитраты), бактерии могут   использовать вместо него окисленные органические и минеральные соединения (фумарат, углекислый   газ, сульфат-анион, нитрат- анион и др.; см. анаэробное   дыхание), а вместо окисляемого органического субстрата использовать   минеральный (водород, аммиак, сероводород и др.), что часто бывает сопряжено с автотрофной фиксацией CO₂.

Фотосинтез бактерий может быть двух типов — бескислородный,   с использованием бактериохлорофилла (зелёные, пурпурные и гелиобактерии)   и кислородный с использованием хлорофилла (цианобактерии (хлорофилл a), прохлорофиты (a и b)). Цианобактерии (рис.4.2), глаукоцистофитовые, красные и криптофитовые   водоросли — единственные фотосинтезирующие организмы, содержащие фикобилипротеины.   У архей встречается бесхлорофилльный фотосинтез с участием бактериородопсина (правда, энергия света используется при этом не для фиксации CO₂ , а   непосредственно для синтеза АТФ, так что в строгом смысле это не фотосинтез, а   фотофосфорилирование).

Рис. 4.2. ЦианобактерииБактерии, осуществляющие только бескислородный фотосинтез, не имеют фотосистемы   II. Во-первых, это пурпурные и зелёные нитчатые бактерий, у которых   функционирует только циклический путь переноса электронов, направленный на   создание трансмембранного протонного градиента, за счёт которого синтезируется   АТФ (фотофосфорилирование),   а также восстанавливается НАД(Ф) +, использующийся для ассимиляции   CO ₂ . Во-вторых, это зелёные серные и гелиобактерии, имеющие и   циклический, и нециклический транспорт электронов, что делает возможным прямое   восстановление НАД(Ф) +. В качестве донора электрона, заполняющего   «вакансию» в молекуле пигмента в   бескислородном фотосинтезе используются восстановленные соединения серы   (молекулярная, сероводород, сульфит) или молекулярный водород.

В октябре 2008 года в журнале Science появилось сообщение об обнаружении экосистемы, состоящей из   представителей одного единственного ранее неизвестного вида бактерии — Desulforudis   audaxviator, которые получают энергию для своей жизнедеятельности из   химических реакций с участием водорода, образующегося в результате распада   молекул воды под воздействием радиации залегающих вблизи нахождения колонии   бактерий урановых руд.

5. Размножение и устройство генетического аппарата бактерий

Размножение бактерий

Рис.5.1. Электронограммы ультратонких срезов делящихся бактерий: а — стафилококка, делящегося путем образования перегородки деления (указана стрелками), 32 000; б — кишечной палочки — в результате формирования перетяжки деления (указана стрелками); 1 — клеточная стенка, 2 — цитоплазматическая мембрана, 3 — нуклеоид; ´ 22 000. Некоторые бактерии не имеют полового   процесса и размножаются лишь равновеликим   бинарным поперечным делением (рис.5.1) или почкованием.   Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное   деление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящий к   образованию от 4 до 1024 новых клеток). Для обеспечения необходимой для эволюции   и приспособления к изменчивой окружающей среде пластичности генотипа у них   существуют иные механизмы.

При делении большинство грамположительных   бактерий и нитчатых цианобактерий синтезируют поперечную перегородку от   периферии к центру при участии мезосом. Грамотрицательные бактерии делятся путём   перетяжки: на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся   искривление ЦПМ и клеточной стенки внутрь. При почковании на одном из полюсов   материнской клетки формируется и растёт почка, материнская клетка проявляет   признаки старения и обычно не может дать более 4 дочерних. Почкование имеется у разных групп   бактерий и, предположительно, возникало несколько раз в процессе эволюции.

Рис. 5.2. Половое размножение бактерийУ бактерий наблюдается и половое размножение (рис.5.2), но в самой примитивной форме.   Половое размножение бактерий отличается от полового размножения эукариот тем, что у бактерий не образуются гаметы и не происходит   слияния клеток. Однако главнейшее событие полового размножения, а именно обмен   генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот процесс называется   генетической рекомбинацией. Часть ДНК (очень редко вся ДНК) клетки-донора   переносится в клетку-реципиент, ДНК которой генетически отличается от ДНК   донора. При этом перенесённая ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе   замещения ДНК участвуют ферменты,   расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. При этом образуется ДНК, которая   содержит гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У   потомства или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков,   вызванное смещением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволюции   и является главным преимуществом полового размножения. Известны 3 способа   получения рекомбинантов. Это — в порядке их открытия — трансформация, конъюгация и трансдукция.

Генетический аппарат (рис. 5.3)           

Рис. 5.3. Генетический аппарат бактерииГены, необходимые для жизнедеятельности и определяющие видовую специфичность,   расположены у бактерий чаще всего в единственной ковалентно замкнутой молекуле   ДНК — хромосоме (иногда для обозначения бактериальных хромосом, чтобы   подчеркнуть их отличия от эукариотических, используют термин генофор (англ. genophore)). Область, где локализована хромосома, называется нуклеоид и   не окружена мембраной. В связи с этим новосинтезированная мРНК сразу доступна для связывания с   рибосомами, а транскрипция и трансляция сопряжены.

Отдельная клетка может содержать лишь 80 % от суммы генов, имеющихся во всех штаммах её вида   (т. н. «коллективный   геном»).

Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находятся плазмиды —   также замкнутые в кольцо ДНК, способные к независимой репликации.   Они могут быть настолько велики, что становятся неотличимы от хромосомы, но   содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях.   Специальные механизмы распределения обеспечивают сохранение плазмиды в дочерних   клетках так что они теряются с частотой менее 10^-7 в пересчёте на   клеточный цикл. Специфичность плазмид может быть весьма разнообразной: от одного   вида-хозяина до плазмиды RP4,   встречающейся почти у всех грамотрицательных бактерий. В них кодируются   механизмы устойчивости к антибиотикам,   разрушения специфических веществ и т. д., nif-гены,   необходимые для азотфиксации также находятся в плазмидах. Ген плазмиды может   включаться в хромосому с частотой около 10^-4 — 10^-7.

В ДНК бактерий, как и в ДНК других организмов, выделяются транспозоны —   мобильные сегменты, способные перемещаться из одной части хромосомы к другой,   или во внехромосомные ДНК (в том числе в другие клетки). В отличии от плазмид,   они неспособны к автономной репликации, и содержат IS-сегменты —   участки, которые кодируют свой перенос внутри клетки. IS-сегмент может выступать   в роли отдельной транспозоны.

Горизонтальный перенос генов          

    У прокариот может происходить частичное объединение геномов. При конъюгации клетка-донор в ходе непосредственного контакта передаёт клетке-реципиенту часть   своего генома (в некоторых случаях весь). Участки ДНК донора могут обмениваться   на гомологичные участки ДНК реципиента. Вероятность такого обмена значима только для бактерий   одного вида.

Аналогично бактериальная клетка может поглощать и свободно находящуюся в   среде ДНК, включая её в свой геном в случае высокой степени гомологии с   собственной ДНК. Данный процесс носит название трансформация.   В природных условиях протекает обмен генетической информацией при помощи   умеренных фагов (трансдукция).   Кроме этого, возможен перенос нехромосомных генов при помощи плазмид   определённого типа, кодирующих этот процесс, процесс обмена другими плазмидами и   передачи транспозон.

При горизонтальном переносе новых генов не образуется (как то имеет место при мутациях), однако   осуществляется создание разных генных сочетаний. Это важно по той причине, что естественный   отбор действует на всю совокупность признаков организма.

_______________________________________________________

6. Клеточная дифференциация          

Рис.6.1 Формирование эндоспоры спорообразующими бактериями: I - вегетативная клетка; II - инвагинация ЦПМ ; III - образование споровой перегородки (септы); IV - формирование двойной мембранной системы образующейся проспоры; V - сформированная проспора; VI - формирование кортекса; VII - формирование покровов споры; VIII - лизис материнской клетки; IX - свободная зрелая спора; X - прорастание споры Клеточная дифференциация — изменение набора белков (обычно также проявляющееся в изменении морфологии) при неизменном генотипе.            

Образование покоящихся форм

Образование особо устойчивых форм с замедленным метаболизмом, служащих для   сохранения в неблагоприятных условиях и распространения (реже для размножения)   является наиболее распространённым видом дифференциации у бактерий. Наиболее   устойчивыми из них являются эндоспоры (рис.6.1),   формируемые представителями Bacillus, Clostridium, Sporohalobacter, Anaerobacter (образует 7 эндоспор из одной клетки и может размножаться с их помощью) и Heliobacterium.   Образование этих структур начинается как обычное деление и на первых стадиях   может быть превращено в него некоторыми антибиотиками. Эндоспоры многих бактерий   способны выдерживать 10-минутное кипячение при 100 °C, высушивание в течение   1000 лет и, по некоторым данным, сохраняются в почвах и горных породах в   жизнеспособном состоянии миллионы лет.

Менее устойчивыми являются экзоспоры, цисты (Azotobacter, скользящие   бактерии и др.), акинеты (цианобактерии) и миксоспоры (миксобактерии).

Другие типы морфологически дифференцированных клеток          

    Актиномицеты и цианобактерии образуют дифференцированные клетки, служащие для   размножения (споры, а также гормогонии и баеоциты соответственно). Необходимо также отметить структуры, подобные бактероидам клубеньковых   бактерий и гетероцистам цианобактерий, служащие для защиты нитрогеназы от воздействия молекулярного кислорода.

 1, 2, 3

А.С.Антоненко

У бактерий, живущих в желудке, нашлись неожиданные защитники. По словам исследователей из Института Висса при Гарвардском университете (США), устойчивость к антибиотикам эти бактерии получают от... вирусов, которые, вообще говоря, должны на них нападать и уничтожать.

Клетка кишечной палочки, усыпанная бактериофагами. (Фото Dennis Kunkel Microscopy.)Устойчивость бактерий к антибиотикам — известная проблема современной медицины: какие бы лекарства мы ни придумывали, бактерии к ним вскоре приспосабливаются, и эта взаимная «гонка вооружений» лишь ускоряется. Из-за устойчивости к антибиотикам даже, казалось бы, неопасные и хорошо знакомые инфекционные заболевания доставляют массу хлопот. Устойчивость, как легко понять, возникает оттого, что бактерии приобретают особые гены, позволяющие обезвреживать лекарства. Эти бактерии могут передавать гены не только своим потомкам, но и друг другу внутри одного и того же поколения — своим, так сказать, ровесникам.

Обычно исследователи, занимающиеся бактериальной устойчивостью к антибиотикам, изучают бактерии сами по себе. Но Джеймс Коллинс и коллеги обратили внимание на следующее такое известное обстоятельство: бактерии (по крайней мере в нашем желудке) живут бок о бок с бактериофагами — вирусами, паразитирующими на бактериях. Ну а вирусы способны «воровать» гены хозяев и переносить их из одной клетки в другую. Соответственно, у учёных появилась гипотеза о том, что бактериофаги могут вносить свой вклад в устойчивость бактерий к антибиотикам.

Авторы работы давали мышам два популярных антибиотика: ампициллин и ципрофлоксацин. Спустя восемь недель они проверяли, какие ДНК несут вирусы в кишечнике животных. Оказалось, что вирусы из желудка тех мышей, которые получали антибиотики, имеют при себе гораздо больше генов устойчивости к лекарствам, чем вирусы от мышей, которые антибиотиков не получали. Причём, например, после ампициллина бактериофаги были вооружены генами не только устойчивости к этому антибиотику, но и к другим препаратам, родственные ампициллину. Похожая картина наблюдалась и в случае ципрофлоксацина.

Но, может быть, фаги просто так прихватывали и носили с собой гены лекарственной устойчивости, а бактериям от этого не было никакой пользы? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи смешивали вирусы, взятые от животных, которым давали антибиотик, с бактериями от обычных мышей. В итоге вирусы, имевшие при себе гены устойчивости к ампициллину, в три раза повышали сопротивляемость бактерий к этому антибиотику. Вирусы, взятые у животных, не получавших антибиотик, никакого эффекта на устойчивость бактерий не оказывали.

В статье, опубликованной в Nature, исследователи пишут о том, что вирусы, по-видимому, служат для бактерий резервом генов устойчивости. С помощью фагов бактерии могут устоять не только перед конкретным лекарством, но и перед родственными ему препаратами, поскольку, как сказано выше, вирусы собирают у себя гены устойчивости к разным антибиотикам одной группы. Вирусы, безусловно, наносят вред бактериальной популяции, однако при этом они как бы «расплачиваются» тем, что снабжают бактерии противолекарственными генами.

И легко представить, как у больного, который вроде бы шёл на поправку, болезнь вдруг стала развиваться с новой силой: пусть даже сначала у него были бактерии без устойчивости к антибиотикам, позже в его организм могли проникнуть вирусы с соответствующими генами и облагодетельствовать ими местную бактериальную инфекцию. Получается, что при лечении борьбу с лекарственноустойчивыми штаммами нужно вести сразу на два фронта: против собственно бактерий и против вирусов, работающих в качестве хранителей полезных для бактерий генов.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Царство: Бактерии (лат. Bacteria)

1. Введение

В надцарство прокариот, или доядерных, объединяют самых древних   обитателей нашей планеты - бактерии (Рис. 1.1), которых в обиходе часто называют микробами.   Это очень древние организмы, появившиеся, по-видимому, около 3 млрд. лет назад.   Эти организмы имеют клеточное строение, но их наследственный материал неотделен   от плазматической оболочки, другими словами они лишены оформленного ядра (рис.1.2). По   размерам большинство из них значительно крупнее вирусов. В настоящее время описано около десяти тысяч видов бактерий и предполагается, что их существует свыше миллиона, однако само   применение понятия вида к бактериям сопряжено с рядом трудностей.

Рис. 1.1. Pseudomonas aeruginosaДо конца 1970-х годов термин «бактерия» был синонимом прокариотов, но в 1977 году на основании данных молекулярной биологии прокариоты были разделены на царства архебактерий и эубактерий. Впоследствии, чтобы подчеркнуть различия между ними, они были переименованы в архей и бактерий соответственно. Хотя до сих пор под бактериями часто понимают всех прокариотов, в данной статье описаны лишь эубактерии. Однако, эти две группы схожи, и многие положения статьи справедливы также для архей — в подобных случаях используется термин «прокариоты» или сочетание «бактерии и археи».

Изучение строения и жизнедеятельности микроорганизмов занимается   наука - микробиология.

Бактерии прекрасно себя чувствуют в воде, охлаждающей ядерные   реакторы; остаются жизнеспособными, получив дозу радиации в 10 тыс. раз   превышающую смертельную для человека. Они выдерживали двухнедельное пребывание в   глубоком вакууме; не погибали и в открытом космосе, помещенные туда на 18 часов,   под смертоносным воздействием солнечной радиации.

Способы питания бактерий столь же разнообразны, как и условия их   жизни. Пожалуй, нет такого органического вещества, которое не подошло бы в пищу   тем или иным бактериям. Некоторые бактерии, как и зеленые растения, сами   производят органические вещества с помощью солнечных лучей. Только кислород в   отличие от растений они при этом процессе (фотосинтезе) не выделяют.

Рис. 1.2. Строение бактерий.Среди бактерий есть паразиты, которые, поселяясь в чужих   организмах, могут стать причиной болезни. Есть и бактерии-хищники, которые из   множества своих тел «плетут» приспособления, чем-то напоминающие паутину, и   ловят туда свою добычу (например, простейших).

Некоторые бактерии питаются такими «малосъедобными» веществами,   как аммиак, соединения железа, серы, сурьмы.

Размножаются бактерии простым делением надвое. Каждые 20 минут в   благоприятных условиях количество некоторых бактерий может удваиваться. Если,   например, в организм человека попала всего одна такая бактерия, то черех 12   часов их может стать уже несколько миллиардов.

Долгое время люди жили, так сказать, «бок о бок» с бактериями, не   подозревая об их существовании. Первым человеком, наблюдавшим бактерии в   микроскоп, был в 1676году Антонии Ван Левенгук.

Размер некоторых бактерий достигает в длину до   1/20мм (пурпурная серобактерия  ). Пару таких бактерий вполне можно увидеть невооруженным глазом, но большинство бактерий в десятки раз меньше. Иногда бактерии образуют большие скопления видимые даже не вооруженным глазом. На   месте одной-единственной бактерии, попавшей на поверхность питательной среды,   уже через несколько часов образуется видимая невооруженным глазом   колония-бугорок. Взглянув на цвет и форму колонии, опытный специалист сразу   определит, с бактериями какого вида он имеет дело.

Бывают желтые, красные, сини бактерии. Выдающийся английский   биолог Александр Флеминг любил в свободное время делать цветные рисунки, причем   в качестве красок он использовал … бактерии. Он наносил на контуры рисунка   питательный бульон с соответствующими бактериями, помещал рисунок в тепло и   получал цветное изображение.

В экологических и микробиоценотических исследованиях под бактериями часто понимают лишь   нефотосинтезирующие немицелиальные прокариоты, противопоставляя их по функциям актиномицетам и цианобактериям.

2. Строение бактерий

Рис. 2.1. Строение бактерий на примере кишечной Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны.   По форме клеток они могут быть округлыми (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады),   извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты),   реже — звёздчатыми, тетраэдрическими,   кубическими, C- или O-образными (рис. 2.2). Формой определяются такие способности бактерий,   как прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ.   Отмечено, например, что олиготрофы,   то есть бактерии, живущие при низком содержании питательных веществ в среде,   стремятся увеличить отношение поверхности к объёму, например, с помощью   образования выростов (т. н. простек).

 Из обязательных клеточных структур выделяют три:

• нуклеоид
• рибосомы
• цитоплазматическая   мембрана (ЦПМ)

Рис. 2.2. Различные формы бактерий С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоёв (клеточная   стенка, капсула, слизистый   чехол), называемых клеточной оболочкой, а также поверхностные   структуры (жгутики, ворсинки т.н. пили). ЦПМ   и цитоплазму объединяют вместе в понятие протопласт (рис.2.1).

    Строение протопласта

    ЦПМ ограничивает содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды. Гомогенная   фракция цитоплазмы, содержащая набор растворимых РНК, белков, продуктов и   субстратов метаболических реакций названа цитозолем.   Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами.

Одним из основных отличий клетки бактерий от клетки эукариот является отсутствие ядерной мембраны и,   строго говоря, отсутствие вообще внутрицитоплазматических мембран, не являющихся   производными ЦПМ. Однако у разных групп прокариот (особенно часто у   грамположительных бактерий) имеются локальные впячивания ЦПМ — мезосомы,   выполняющие в клетке разнообразные функции и разделяющие её на функционально   различные части. У многих фотосинтезирующих бактерий существует развитая сеть   производных от ЦПМ фотосинтетических мембран. У пурпурных   бактерий они сохранили связь с ЦПМ, легко обнаруживаемую на срезах под   электронным микроскопом, у цианобактерий эта связь либо трудно обнаруживается, либо утрачена в процессе эволюции. В   зависимости от условий и возраста культуры фотосинтетические мембраны образуют   различные структуры — везикулы, хроматофоры, тилакоиды.

Вся необходимая для жизнедеятельности бактерий генетическая информация   содержится в одной ДНК (бактериальная хромосома),   чаще всего имеющей форму ковалентно замкнутого кольца (линейные хромосомы   обнаружены у Streptomyces и Borrelia).   Она в одной точке прикреплена к ЦПМ и помещается в структуре, обособленной, но   не отделённой мембраной от цитоплазмы, и называемой нуклеоид.   ДНК в развёрнутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома   представлена обычно в единственном экземпляре, то есть практически все   прокариоты гаплоидны, хотя в   определённых условиях одна клетка может содержать несколько копий своей   хромосомы, а Burkholderia   cepacia имеет три разных кольцевых хромосомы (длиной 3,6; 3,2 и 1,1 млн   пар нуклеотидов). Рибосомы прокариот также отличны от таковых у эукариот и имеют   константу седиментации 70 S (80 S у эукариот).

Рис.2.3. Строение клеточной стенки: А - грамположительные бектерии, Б - грамотрицательные бактерии.Помимо этих структур в цитоплазме также могут находиться включения запасных   веществ.

    Клеточная оболочка и поверхностные структуры

Клеточная   стенка — важный структурный элемент бактериальной клетки, однако не   обязательный. Искусственным путём были получены формы с частично или полностью   отсутствующей клеточной стенкой (L-формы), которые могли   существовать в благоприятных условиях, однако иногда утрачивали способность к   делению. Известна также группа природных не содержащих клеточной стенки   бактерий — микоплазмов.

У бактерий существует два основных типа строения клеточной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам (рис. 2.3). Такое название они получили после того, как в конце XIX века датский врач Ханс Кристиан Грам обнаружил, что если бактерии обработать сначала красителем кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, то бесцветные в обычных условиях клетки окрашиваются. Но у одних бактерий образуется прочная фиолетовая окраска (их назвали грамположительными), а у других (грамотрицательных) краситель смывается этиловым спиртом.

Рис. 2.4. Эволюция бактериального жгутикаКлеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный   слой толщиной 20—80 нм, построенный в основном из пептидогликана с меньшим количеством тейхоевых   кислот и небольшим количеством полисахаридов, белков и липидов (так   называемый липополисахарид).   В клеточной стенке имеются поры диаметром 1—6 нм, которые делают её проницаемой для ряда молекул.

У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ   и имеет толщину лишь 2—3 нм. Он окружён наружной мембраной, имеющей, как   правило, неровную, искривлённую форму. Между ЦПМ, слоем пептидогликана и внешней   мембраной имеется пространство, называемое периплазматическим,   и заполненное раствором, включающим в себя транспортные белки и ферменты.

С внешней стороны от клеточной стенки может находиться капсула — аморфный слой (рис.2.1), сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру. Однако между этими тремя идеализированными случаями есть множество переходных форм.

Бактериальных жгутиков (рис.2.4, 2.5) может быть от 0   до 1000. Возможны как варианты расположения одного жгутика у одного полюса   (монополярный монотрих), пучка жгутиков у одного (монополярный перитрих или   лофотрихиальное жгутикование) или двух полюсов (биполярный перитрих или   амфитрихиальное жгутикование), так и многочисленные жгутики по всей поверхности   клетки (перитрих). Толщина жгутика составляет 10—20 нм, длина — 3—15 мкм. Его   вращение осуществляется против часовой стрелки с частотой 40—60 об/с.

Строение бактериального жгутика на примере бактерии Esherichia Coli Помимо жгутиков, среди поверхностных структур бактерий необходимо назвать ворсинки. Они   тоньше жгутиков (диаметр 5—10 нм, длина до 2 мкм) и необходимы для прикрепления   бактерии к субстрату, принимают участие в транспорте метаболитов, а особые   ворсинки — F-пили —нитевидные образования, более   тонкие и короткие (3—10 нм х 0, 3—10 мкм), чем жгутики — необходимы   клетке-донору для передачи реципиенту ДНК при конъюгации.

Размеры бактерий

Размеры бактерий в среднем составляют 0,5—5 мкм. Escherichia coli,   например, имеет размеры 0,3—1 на 1—6 мкм, Staphylococcus   aureus — диаметр 0,5—1 мкм, Bacillus   subtilis 0,75 на 2—3 мкм. Крупнейшей из известных бактерий является Thiomargarita namibiensis, достигающая размера в 750 мкм (0,75 мм). Второй является Epulopiscium   fishelsoni имеющая диаметр 80 мкм и длину до 700 мкм и обитающая в   пищеварительном тракте хирурговой рыбы Acanthurus nigrofuscus. Achromatium   oxaliferum достигает размеров 33 на 100 мкм, Beggiatoa   alba — 10 на 50 мкм. Спирохеты могут вырастать в длину до 250 мкм при толщине 0,7 мкм. В то же время к   бактериям относятся самые мелкие из имеющих клеточное строение организмов. Mycoplasma   mycoides имеет размеры 0,1—0,25 мкм, что соответствует размеру крупных вирусов, например, табачной   мозаики, коровьей   оспы или гриппа. По теоретическим   подсчётам сферическая клетка диаметром менее 0,15—0,20 мкм становится   неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не   помещаются все необходимые биополимеры и структуры в достаточном количестве.

Однако были описаны нанобактерии,   имеющие размеры меньше «допустимых» и сильно отличаюшиеся от обычных бактерий.   Они, в отличие от вирусов, способны к самостоятельному росту и размножению   (чрезвычайно медленным). Они пока мало изучены, живая их природа ставится под   сомнение.

При линейном увеличении радиуса клетки её поверхность возрастает   пропорционально квадрату радиуса, а объём — пропорционально кубу, поэтому у   мелких организмов отношение поверхности к объёму выше, чем у более крупных, что   означает для первых более активный обмен веществ с окружающей средой.   Метаболическая активность, измеренная по разным показателям, на единицу биомассы   у мелких форм выше, чем у крупных. Поэтому небольшие даже для микроорганизмов   размеры дают бактериям и археям преимущества в скорости роста и размножения по   сравнению с более сложноорганизованными эукариотами и определяют их важную   экологическую роль.

     Многоклеточность у бактерий

 Одноклеточные формы способны осуществлять все функции, присущие организму, независимо от   соседних клеток. Многие одноклеточные прокариоты склонны к образованию клеточных   агрегатов, часто скреплённых выделяемой ими слизью. Чаще всего это лишь   случайное объединение отдельных организмов, но в ряде случаев временное   объединение связано с осуществлением определённой функции, например,   формирование плодовых тел миксобактериями делает возможным развитие цист, при том что единичные   клетки не способны их образовывать. Подобные явления наряду с образованием   одноклеточными эубактериями морфологически и функционально дифференцированных   клеток — необходимые предпосылки для возникновения у них истинной многоклеточности.

Рис. 2.6. Многоклеточность у бактерий на примере Anabaena crassa Многоклеточный организм должен отвечать следующим условиям:

1. его клетки должны быть агрегированы
2. между клетками должно осуществляться разделение функций
3. между агрегированными клетками должны устанавливаться устойчивые   специфические контакты

Многоклеточность у прокариот (рис.2.6) известна, наиболее высокоорганизованные   многоклеточные организмы принадлежат к группам цианобактерий и актиномицетов.   У нитчатых цианобактерий описаны структуры в клеточной стенке, обеспечивающие   контакт двух соседних клеток — микроплазмодесмы. Показана возможность   обмена между клетками веществом (красителем) и энергией (электрической   составляющей трансмембранного потенциала). Некоторые из нитчатых цианобактерий   содержат помимо обычных вегетативных клеток функционально дифференцированные: акинеты и гетероцисты.   Последние осуществляют фиксацию   азота и интенсивно обмениваются метаболитами с вегетативными клетками.

1, 2, 3

В нашем кишечнике живёт множество полезных бактерий, и потому перед иммунной системой при появлении патогенного чужака встаёт непростой вопрос: как отличить полезную бактерию от вредной? Причём иммунитет должен быть очень аккуратным: если он увлечётся и проявит хотя бы малейшую неразборчивость, начнётся мощная воспалительная реакция, направленная на всю микрофлору в кишечнике.

Сальмонелла проникает в человеческую клетку. (Фото NASA's Marshall Space Flight Center.)Исследователей давно занимает вопрос взаимоотношений между иммунной системой и кишечными бактериями, вредными и полезными. Главное отличие полезной бактерии от вредной в том, что первая может свободно жить в полости кишечника, а вторая стремится проникнуть внутрь клетки. Когда патоген попадает в клетку, та, разумеется, чувствует, что что-то не так, и сообщает об этом иммунитету. Часто сигналом тревоги служат чужеродные молекулы, которые клетка выставляет на мембране: иммунитет видит их и атакует поражённую клетку.

Однако в случае кишечных инфекций срабатывает ещё один механизм, который в журнале Nature описывают исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе (США). Учёные экспериментировали с сальмонеллой, которая перед проникновением в клетку впрыскивает в неё особый фермент, чтобы перестроить актиновый цитоскелет: без этого бактерия не сможет попасть внутрь. Фермент активирует некоторые из ГТФаз, а именно Rho ГТФазы. Эти белки передают сигналы, касающиеся управления актином. Затем актиновые нити в клетке разрушаются, и бактерия может начать движение в клетку.

Однако в клетке есть сенсор, чувствующий неправильную, патогенную активность ГТФаз. Этим сенсором работает белок NOD1, который через цепочку молекулярных посредников даёт знать о вторжении белку NF-kB — известнейшему транскрипционному активатору, в ведении которого среди прочего находятся гены активации иммунного ответа. NF-kB запускает синтез сигнальных молекул, активирующих иммунную систему и натравливающих её на больную клетку и поразившую её бактерию.

О роли сигнальных клеточных ГТФаз в иммунном ответе догадывались и раньше, а уж о действиях NF-kB известно с незапамятных (по научным меркам) времён. Однако собрать все элементы головоломки в единую картину до сих пор не удавалось. У группы Андреаса Боймлера это получилось благодаря тому, что учёные решили присмотреться к белку NOD1, который считался исследованным вдоль и поперёк. А ведь именно он, по сути, как раз и несёт сторожевую вахту, сравнивая обычную активность сигнальных ферментов клетки с вынужденной, патогенной. Возможно, некоторые формы предрасположенности к кишечным инфекциям могут быть связаны как раз с ослабленной активностью этого белка.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Гавайский кальмар Euprymna scolopes (или, если угодно, каракатица; Euprymna scolopes занимают место между этими двумя отрядами головоногих) умеет светиться в темноте благодаря симбиотическим бактериям. Считается, что бактериальное освещение помогает моллюску маскироваться от хищников. Из-за подсветки животное сливается с фоном, если смотреть из тёмной глубины вверх, в более светлые воды, в которых кальмар и охотится. Однако роль светящихся симбионтов этим не ограничивается: как выяснили учёные из Университета штата Висконсин в Мэдисоне (США), светящиеся бактерии не только помогают кальмарам спрятаться от хищника: они в буквальном смысле настраивают моллюску его биологические часы.

Кальмары (или каракатицы) E. scolopes сверяют свои биологические часы с бактериальными. (Фото Jeff Milisen.)У всех животных есть специальные гены для сверки внутреннего суточного ритма с внешними условиями. Эти гены кодируют специальные белки, которые «понимают» визуальные данные о том, день или ночь сейчас снаружи, и в соответствии с этим настраивают молекулярные пружины внутренних часов. У Euprymna scolopes таких генов два, они кодируют белки криптохромы (CRY). Один из криптохромов работает в голове, поближе к мозгу и органам чувств (что не удивительно: обычно у животных регуляторные белки циркадного ритма синтезируются поближе к центральной нервной системе). Однако другой белок, как выяснили Маргарет Макфолл-Нгай и её коллеги, активнее всего синтезируется в светящихся органах кальмара, где живут биолюминесцентные бактерии. Причём активность второго гена, названного escry1, соответствовала не переменам в дневном освещении, а циклу биолюминесценции (светиться кальмар начинает с наступлением ночи, когда выходит на охоту).

Эксперименты показали, что бактерии важны для циклических изменений активности гена escry1: без них активность гена не менялась. Причём дело было именно в бактериях, а не в свете, потому что безбактериальная имитация свечения никак на ген не влияла. Однако, если в кальмаре поселялись дефектные бактерии, неспособные к свечению, то и суточный ритм у гена отказывал. Если же к этим «неправильным» бактериям добавляли искусственную люминесценцию, то ритмическая активность возвращалась к гену.

Исследователи предположили, что всё дело в каких-то поверхностных молекулах. И гипотеза отчасти подтвердилась: если в воду к моллюскам добавляли поверхностные бактериальные маркеры и снабжали кальмаров искусственной люминесценцией, то ритмическая активность у гена escry1 до какой-то степени восстанавливалась. Возможно, как полагают зоологи, если бактерии находятся прямо внутри светящихся органов, это даёт им более непосредственный контакт с кальмаром и позволяет чётче настраивать биологические часы хозяина.

Результаты экспериментов будут опубликованы в журнале mBio.

Учёные уже обращали внимание на то, что суточные ритмы Euprymna scolopes и их бактерий синхронизированы. Но никто не думал, что у бактерий тут может быть такая большая роль, что они способны указывать таким важным хозяйским генам, когда им активничать, а когда — отдыхать. По словам авторов работы, возможно, это не уникальный случай, а общая в живой природе практика. Скажем, наша кишечная микрофлора и так влияет на всё что можно, от иммунитета до беременности, так почему бы ей не воздействовать ещё и на наши биологические часы?

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Морские бактерии Shewanella oneidensis используют для дыхания неорганические субстраты, к примеру, минералы, сложенные из оксидов железа. Минерал, словно это наш кислород, служит для бактерий окислителем: на него переносятся электроны изнутри клетки, с питательных веществ, которые должны быть окислены.

Бактерии рода Shewanella на гематите (фото EMSL).То есть при контакте с металлом между ним и бактерией начинает идти электрический ток, создаваемый движущимися из клетки электронами.

Про эту особенность Shewanella oneidensis учёные знали давно, но было непонятно, как происходит перенос электронов. Вариантов имелось два: либо сами мембранные белки производят этот перенос, либо они используют посредника, который берёт электроны с собой, а уже его самого белки переправляют через мембрану. Чтобы выяснить, какая из двух версий реальна, исследователи из лаборатории Цю-Син Цзяна в Юго-Западном медицинском центре при Техасском университете (США) создали из липидных молекул имитацию клеточной мембраны, усаженную бактериальными мембранными белками. Внутрь пузырька поместили вещества — доноры электронов; снаружи получившаяся псевдобактерия контактировала с металлической поверхностью.

Как пишут исследователи в журнале PNAS, бактериальные белки напрямую касаются окисляющей поверхности, которая должна принять от них электроны. То есть мембранные белки сами, без посредников, служат проводниками электрического тока, своеобразными молекулярными проводами, идущими сквозь изолирующие липидные слои мембраны. На пользу прямого контакта указывала также очень высокая скорость, с которой производился перенос электронов в эксперименте.

Предполагается, что у таких бактерий большое биотехнологическое будущее. Исследователи рассчитывают использовать их как микробатарейки, которые будут питать крохотные микросхемы и электронные устройства. Но прежде нужно до конца выяснить, как работает эта бактериальная ЛЭП, причём именно в бактериях, а не только в искусственных бактериообразных липидных пузырьках.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА