Многообразие прокариот

Определения и обозначения

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра. Их ДНК расположена в цитоплазме, в области, называемой нуклеоидом; мембранных органоидов, таких как митохондрии и аппарат Гольджи, у них нет. Это определение помогает отличить прокариот от эукариот, чья ДНК заключена в ядре.

Бактерии — большая группа прокариот с разнообразными формами и способами питания. У многих бактерий есть клеточная стенка, содержащая муреин — прочное вещество, поддерживающее форму клетки; состав оболочек у разных видов может различаться. Одни бактерии используют готовые органические вещества, другие получают энергию из света или химических реакций.

Археи — отдельная группа прокариот, отличающаяся от бактерий строением клеточных оболочек и особенностями обмена веществ. В их клеточной стенке нет муреина, а мембраны имеют характерные особенности строения. Это важно для распознавания архей: отсутствия ядра недостаточно, чтобы считать организм бактерией.

Цианобактерии — бактерии, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Используя свет, они создают органические вещества из углекислого газа и воды. Их деятельность обеспечивает другие организмы пищей и вносит вклад в образование кислорода в водных экосистемах.

Как это устроено

Отсутствие ядра связано с тем, что генетический материал прокариот не отделён от остального содержимого клетки ядерной оболочкой. ДНК находится в цитоплазме, обычно собрана в области нуклеоида, где с неё считывается наследственная информация. Мембранных органоидов тоже нет, поэтому основные клеточные процессы идут в цитоплазме или на клеточной мембране. Простое устройство не означает, что клетка лишена важных функций: она растёт, получает вещества и делится.

Формы прокариот разнообразны: встречаются шаровидные, палочковидные и изогнутые клетки. Форма связана с устройством клетки и особенностями её жизни, но сама по себе не позволяет определить вид или группу. После деления клетки могут отделиться друг от друга либо остаться соединёнными; так возникают, например, цепочки или скопления. Поэтому при описании разнообразия учитывают и форму отдельной клетки, и расположение клеток после деления.

Прокариоты различаются источниками энергии и углерода. Одни используют свет, другие получают энергию при химических реакциях; углерод для построения клеток они могут брать из углекислого газа или готовых органических веществ. Сочетания этих способов дают разные варианты питания и позволяют использовать разные ресурсы. Благодаря этому прокариоты обитают в почве, воде, на поверхностях и внутри других организмов, а некоторые виды приспособлены к необычным условиям.

Бактерии и археи объединяет отсутствие оформленного ядра, однако это общий признак прокариот, а не доказательство принадлежности к одной группе. У бактерий и архей отличаются состав клеточной оболочки и особенности мембран; различается и обмен веществ. Например, среди архей есть виды, использующие соединения, которые характерны для их особых условий обитания. Значит, группу организма устанавливают по совокупности признаков, а не только по наличию или отсутствию ядра.

Разнообразие обмена веществ связывает прокариот с разными процессами в природе. Разрушая органические остатки, многие из них возвращают вещества в круговорот; другие участвуют в превращениях соединений азота и иных элементов. Фотосинтезирующие прокариоты, в частности цианобактерии, создают органическое вещество, которое становится ресурсом для других организмов. Некоторые прокариоты живут в тесной связи с организмами: такое взаимодействие может быть полезным, нейтральным или вредным.

Сравнение основных групп прокариот

Сравнивайте группы сразу по нескольким признакам: один признак редко позволяет определить принадлежность организма. Цианобактерии выделены в отдельный столбец для удобства, но это не отдельная от бактерий группа. По таблице можно также сопоставить особенности оболочки и питания с местами обитания и ролью в природе.

Разбор задач

Задача 1. Определить, к прокариотам или эукариотам относится организм, если его ДНК находится в цитоплазме и оформленного ядра нет. Решение: сопоставим описание с признаком, по которому различают эти типы клеток. Важно не путать расположение ДНК с наличием мембранных органоидов: в условии прямо указано, что ядро отсутствует.

1. Найдём главный классификационный признак: наличие или отсутствие оформленного ядра.
2. В условии сказано, что ядра нет, а ДНК находится в цитоплазме.
3. Такое строение характерно для прокариот; эукариотическая клетка имеет ядро.

Ответ: организм относится к прокариотам. Определение сделано по строению клетки, а не по её форме или месту обитания. Для уточнения группы — бактерия это или архея — понадобились бы дополнительные признаки.

Задача 2. Сопоставить три описания: организм использует свет и выделяет кислород; организм обитает в солёной среде и отличается от бактерий строением оболочки; организм разлагает органические остатки. Решение: сначала свяжем каждый признак с обменом веществ или строением, а затем назовём вероятную группу. Одно лишь место обитания не всегда достаточно для классификации, поэтому выводы будут предварительными.

1. Использование света с выделением кислорода указывает на фотосинтезирующие цианобактерии.
2. Отличия оболочки от бактерий позволяют предположить архей, но солёная среда сама по себе не доказывает эту принадлежность.
3. Разложение органических остатков — образ жизни сапротрофов; часто так питаются бактерии, но по одному этому признаку нельзя исключить другие прокариоты.

Ответ: вероятные варианты — цианобактерии, археи и бактерии-разлагатели соответственно. В первом случае особенно показателен кислородный фотосинтез, во втором — строение оболочки, а в третьем — питание готовой органикой. Для точного определения организма нужны дополнительные сведения.

Задача 3. В водоёме обнаружены прокариоты, которые при освещении образуют органическое вещество и выделяют кислород. Нужно определить возможную группу и объяснить её значение для экосистемы. Решение строим по сочетанию признаков, а не только по тому, что организм найден в воде. Выделение кислорода отличает описанный процесс от фотосинтеза, при котором кислород не выделяется.

1. Свет и образование органического вещества указывают на фотосинтез.
2. Выделение кислорода при этом процессе характерно для цианобактерий.
3. Созданное ими органическое вещество служит ресурсом для пищевых цепей, а кислород поддерживает условия жизни многих организмов.

Ответ: это могут быть цианобактерии. В экосистеме они выступают производителями органического вещества и участвуют в насыщении воды кислородом. Их вклад важен для существования других организмов водоёма.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все прокариоты являются бактериями. Так думают, потому что бактерии хорошо известны и их часто приводят как главный пример клеток без ядра. Но археи тоже прокариоты, хотя относятся к отдельной группе. Проверьте себя: если в ответе названы только бактерии, вспомните, есть ли другая группа прокариот.

Ошибка — называть цианобактерии водорослями. Причина путаницы в том, что они живут в воде и фотосинтезируют, как многие водоросли. Однако у цианобактерий нет оформленного ядра, а водоросли — эукариоты. Проверка простая: учитывайте строение клетки, а не только среду обитания и способ питания.

Ошибка — полагать, что все прокариоты живут только в экстремальных условиях. Некоторые археи действительно обитают в необычных средах, и этот яркий пример может создать неверное обобщение. Многие прокариоты встречаются в обычных почвах, водоёмах и организмах. Проверяя себя, не переносите особенности отдельных видов на всю группу.

Ошибка — описывать разнообразие прокариот только по форме клеток. Формы заметны, поэтому кажется, что их достаточно для сравнения, но одинаковая форма не означает одинаковый обмен веществ или образ жизни. Учитывайте также источники энергии и углерода, особенности оболочек и места обитания. Самопроверка: назовите хотя бы два признака, кроме формы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать строение клетки и различия между прокариотической и эукариотической клетками. Эти знания позволяют связать отсутствие ядра с расположением ДНК и объяснить, почему цианобактерии — бактерии, а не водоросли. Представления о питании прокариот помогают разбирать круговорот веществ и экологические связи: становится понятнее, откуда берутся вещества и энергия в экосистемах. Тема также пригодится при изучении эволюции жизни, микробиологии, инфекционных заболеваний и биотехнологии.

Что запомнить

• Прокариоты не имеют оформленного ядра.
• Бактерии и археи — разные группы прокариот.
• Цианобактерии относятся к бактериям.
• Прокариоты различаются по форме, способам питания и условиям обитания.
• Цианобактерии осуществляют фотосинтез с выделением кислорода.
• Прокариоты участвуют в круговороте веществ и поддержании экосистем.