Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4
Шрифт:
Это было большим открытием, так как в то время были распространены взгляды, что самозарождение возможно (например, считалось, что мухи зарождаются в гниющем мясе и т. п.). После опытов Пастера господствовали взгляды, что все живое происходит только из живого, и образование живого из неживого невозможно.
Идея о том, что жизнь возникла абиогенным путем, то есть из неживой материи, была сформулирована в 20-х годах прошлого века А.И. Опариным и Дж. Холдейном почти одновременно и независимо. Они считали, что аминокислоты, нуклеотиды и другие молекулы, составляющие основу жизни, могли возникнуть абиогенно, в силу тех условий, которые существовали тогда на Земле. Концепция абиогенезе сейчас в научной среде считается принятой большинством ученых, хотя существуют и другие представления о происхождении жизни. Например, гипотеза о том, что споры первых появившихся на Земле организмов были занесены из Космоса. Однако
Таким образом, вам были представлены некоторые элементы в цепи событий, которые могли бы привести к появлению жизни на Земле, к эволюции метаболических циклов и появлению клетки.
Более подробно ознакомиться с этими вопросами можно в книгах:
Г. А. Заварзин. Становление биосферы. Вестник РАН. 2001, № 11.
Ю.В. Чайковский. Эволюция. М. Центр системных исследований, 2003. (Обстоятельный обзор истории эволюционных учений и современного состояния. Ряд положений рассматривается с позиций концепции номогенеза.)
К.Ю. Еськов История Земли и жизни на ней [2] . Учебное пособие для старших классов. М. Мирос, 2000.
Строение и функции прокариотической клетки
ЛЕКЦИЯ № 7
Немного истории. Аристотель пытался все объекты природы систематизировать. У него была "лестница существ". Внизу наиболее примитивно организованные камни, потом растения, животные и человек. Стремление к линейной классификации довольно долго сохранялось, но потом его пришлось отвергнуть, так как объекты живой природы не выстраиваются в единую лестницу. Деление на растения и животные известно давно. Эти группы называют царствами: царство растений и царство животных. Потом были описаны простые одноклеточные растения и животные, о которых не всегда понятно, растения они или животные. Они были выделены в группу одноклеточные (Протисты). Затем открыли бактерий и выделили их в отдельное царство. Позже в отдельное царство были выделены грибы. Для нас они кажутся похожими на растения, но, тем не менее, от растений они существенно отличаются, в частности, тем, что, как животные, запасают гликоген, а не крахмал.
Итак, живые организмы разделили на царства Растений, Грибов, Животных и Простейших (одноклеточных), и царство бактерий, в которую входили все прокариоты. Но когда изучали бактерий, оказалось, что они также делятся на две сильно отличающиеся группы. Соответственно, их пришлось разделить на два царства: Эубактерии (собственно бактерии) и Архебактерии (другое название — Археи). Последние также не имеют ядра, но по структуре сильно отличаются от бактерий.
Такое деление возникло недавно. В 1990 году вышла посвященная этой теме публикация. Деление было сделано на основе последовательности рибосомной РНК. Если раньше для того, чтобы описать какой-либо новый вид, нужно было изучить организм, описать, как он питается, его морфологию, и только после этого его можно было классифицировать, то сейчас классификацию организма можно провести, даже не зная, как он выглядит. Достаточно просеквенировать (определить последовательность нуклеотидов) его рибосомную РНК. И поскольку для многих организмов последовательность рибосомной РНК известна, то по степени сходства этих РНК строится классификация, а не по внешнему сходству или по особенностям метаболизма. Некоторые группы архебактерий так и были описаны: рибосомные РНК есть, а сами организмы пока никто не видел. В чем же смысл перехода к классификации по степени сходства рибосомной РНК? Рибосомная РНК отражает родство по происхождению, в то время как одинаковая форма может быть у совершенно неродственных животных. Если вспомнить лягушку, крокодила и бегемота, то окажется, что глаза у них из воды торчат похожим образом. Но эти животные относятся к разным классам. То есть, построение классификации на основе рибосомной РНК отображает родство организмов, но зато зачастую не отражает сходство в образе их жизни. Почему выбрана именно рибосомная РНК? Потому что это самая консервативная, т. е. наиболее медленно меняющаяся, часть генома. Ниже на рисунке представлено дерево родства
Что же общего у бактерий и архей, что отличает их от эукариот?
Строение клетки прокариот
У прокариотических клеток есть цитоплазматическая мембрана, также как и эукариотических. У бактерий мембрана двуслойная (липидный бислой), у архей мембрана довольно часто бывает однослойной. Мембрана архей состоит из веществ, отличных от тех, из которых состоит мембрана бактерий. Поверхность клеток может быть покрыта капсулой, чехлом или слизью. У них могут быть жгутики и ворсинки.
Клеточное ядро, такое как у эукариот, у прокариот отсутствует. ДНК находится внутри клетки, упорядоченно свернутая и поддерживаемая белками. Этот ДНК-белковый комплекс называется нуклеоид. У эубактерий белки, которые поддерживают, ДНК отличаются от гистонов, которые образуют нуклеосомы (у эукариот). А у архибактерий гистоны есть, и этим они похожи на эукариот. Энергетические процессы у прокариотов идут в цитоплазме и на специальных структурах — мезосомах (выростах клеточной мембраны, которые закручены в спираль для увеличения площади поверхности, на которой происходит синтез АТФ). Внутри клетки могут находиться газовые пузырьки, запасные вещества в виде гранул полифосфатов, гранул углеводов, жировых капель. Могут присутствовать включения серы (образующейся, например, в результате бескислородного фотосинтеза). У фото-синтетических бактерий имеются складчатые структуры, называемые тилакоидами, на которых идет фотосинтез. Таким образом, у прокариот, в принципе, имеются те же самые элементы, но без перегородок, без внутренних мембран. Те перегородки, которые имеются, являются выростами клеточной мембраны.
Размер различных представителей прокариотов представлен на схеме ниже. Самая маленькая бактерия — это паразитическая микоплазма (она живет внутри клеток эукариот). Она имеет размер 0,1 мкм. Самые большие представители прокариот видны невооруженным глазом (граница видимости — 70–80 мкм). Эта спирохета имеет длину 250 мкм. Типичный же представитель прокариот имеет размер 0,5 мкм в ширину и 2 мкм в ширину. Для сравнения приведены размеры вируса герпеса — одного из самых крупных вирусов (имеет размер, сравнимый с размерами паразитической микоплазмы), и вируса желтой лихорадки — одного из самых маленьких вирусов, в пять раз меньше вируса герпеса; а также размеры молекул глобулярных белков и эукариотических одноклеточных организмов (размеры у них намного больше, чем у прокариот).
Форма прокариотических клеток не так уж и разнообразна. Круглые клетки называются кокки. Такую форму могут иметь как археи, так и эубактерии. Стрептококки — это кокки, вытянутые в цепочку. Стафилококки — это «грозди» кокков, диплококки — кокки, объединенные по две клетки, тетрады — по четыре, и сарцины — по восемь. Палочкообразные бактерии назыаются бациллами. Две палочки — диплобациллы, вытянутые в цепочку — стрептобациллы. Еще выделяют коринеформные бактерии (с расширением на концах, похожим на булаву), спириллы (длинные завитые клетки), вибрионы (коротенькие загнутые клетки) и спирохеты (завиваются не так, как спириллы). Ниже проиллюстрировано все выше сказанное и приведены два представителя архебактерий.
Рис. 1. Строение белковой оболочки Sulfolobus:
а — схеме поперечного сечения. Овальные элементы встроены в цитоплазматическую мембрану и служат якорями, через соединители они связаны с фигурными субъединицами трехлучевой симметрии, образующими пористый поверхностный белковый слой
Хотя и археи, и бактерии относятся к прокариотическим (безъядерным) организмам, строение их клеток имеет некоторые существенные отличия. Как уже было отмечено выше, бактерии имеют липидный бислой (когда гидрофобные концы погружены в мембрану, а заряженные головки торчат с двух сторон наружу), а археи могут иметь монослойную мембрану (заряженные головки имеются с двух сторон, а внутри единая целая молекула; эта структура может быть более жесткой, чем бислой). Выше представлено строение клеточной мембраны архебактерии.