Этапы эволюции микроорганизмов

РЕФЕРАТ

ПО ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ

 

ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

 

 

 

 На Земле существует огромное разнообразие организмов. Различаясь между собой рядом существенных признаков, они имеют общие свойства. Бактерии, микроскопические грибы и простейшие являются микроорганизмами.

Первые организмы появились  в водной среде. В настоящее время считается твердо установленным, что большую часть своего существования (несомненные признаки существования биосферы известны с периода 3,8 — 4 млрд. лет назад, то есть уже через 500 млн. лет после формирования самой планеты), вплоть до так называемой неопротерозойской революции (около 1 млрд. лет назад), биосфера была преимущественно прокариотной. Прокариоты — это бактерии, архебактерии, цианобактерии, то есть организмы не имеющие клеточного ядра. Вместо ядра у них просто одна большая кольцевая молекула ДНК. У них нет митохондрий и других органелл. По типу питания первые организмы были в основном гетеротрофами, т.е. питались готовыми органическими веществами. Однако есть данные, что уже на самых ранних этапах существования живых существ среди них появились и автотрофы. Автотрофы – это организмы, которые самостоятельно образуют органическое вещество из неорганических соединений. Различают фототрофов, создающих органические соединения за счет энергии Солнца, и хемотрофов, живущих за счет энергии, высвобождающейся при химических реакциях окисления неорганических соединений (молекулярный водород, окись углерода, соединения серы или азота и др.). Поэтому можно сказать, что бактерии были и продуцентами (т. е. создателями органического вещества за счет процесса фотосинтеза или хемосинтеза) и редуцентами (т. е. потребителями готового органического вещества). В науке есть прямые свидетельства бактериальной деятельности в архее и протерозое — это строматолиты, фоссилизация тел хемоавтотрофных бактерий в рудных телах и др.

Появление автотрофов – это крупное событие в  эволюции живого мира.

В это время, которое  занимало около 75% всего времени  существования жизни на Земле, бактерии-фотосинтетики (формы, напоминающие современных синезеленых водорослей-цианобактерий, прохлорофиты и др.) создали огромную массу органического вещества. Это органическое вещество очень медленно разлагалось за счет химических и физических факторов и захоранивалось. Так возникли громадные залежи газа и нефти (или по крайней мере, часть таких залежей). Хемоавтотрофные бактерии (т.е. такие, которые используют для получения энергии реакции окисления или восстановления металлов, серы и проч.) осадили из морской воды огромные запасы железа, марганца, кобальта, меди, цинка и т. д. вплоть до золота, создав запасы тех руд, которыми до сих пользуется человечество. О масштабах этой деятельности можно судить, например, на примере гигантской Курской магнитной аномалии, которая вся имеет бактериальное происхождение.

Почему накапливались залежи органического  вещества? Почему оно не возвращалось в биологический круговорот или  возвращалось слабо? Это происходило потому, что бактерии в принципе не способны к заглатыванию кого-то или чего-то, то есть к фагоцитозу. По этой же причине среди прокариотных организмов почти нет хищников. А если есть, то хищничество носит весьма необычный характер, и хищник всегда сильно меньше жертвы. Так, например, бактерия Bdellovibrio — это маленький вибрион, который проникает через клеточную стенку жертвы (значительно более крупной, чем напавший на нее хищник) и размножается в промежутке между ее клеточной стенкой и мембраной. Как своеобразное хищничество можно рассматривать и нападение фагов на бактерий. Но ведь и в этом случае фаг только впрыскивает в цитоплазму жертвы свою нуклеиновую кислоту, а белковая оболочка фага остается снаружи. Прокариоты не способны даже к поглощению пузырьков жидкости, то есть к пиноцитозу. Не обладая способностью заглатывать своих жертв целиком или по кусочкам, гетеротрофные прокариоты могли использовать только экзоферментацию субстрата (т.е. выделение ферментов наружу и переваривание пищи во внешней среде) с последующим поглощением низкомолекулярных органических веществ. Все это, как можно предполагать, обусловливало низкую скорость разложения биомассы, созданной автотрофными прокариотами. Огромные массы органического углерода захоранивались в осадке и на долгое время выводилось из биотического круговорота.

Ученые полагают, что процесс  появления хемосинтезирующих и фотосинтезирующих автотрофов начался еще на этапе коацерватных капель, когда их содержание все более усложнялось. Происходившие при этом случайные мутации нуклеиновых кислот могли дать некоторые более активные молекулы, близкие к хлорофиллу и способные использовать энергию света.

Пока питательные вещества в  окружающей водной среде были в избытке, это свойство не давало преимуществ  в существовании организмов, имевших  активные пигменты. Однако по мере увеличения численности организмов и сокращения питательных веществ в окружающей среде способность усваивать СО₂ при участии энергии света оказалась полезной для автотрофов и потомства, значимой для выживания в конкурентной борьбе за существование.

Возникновение хлорофилла – зеленого пигмента, способного улавливать энергию солнечного света и осуществлять фотосинтез – явилось следующим  важным событием для развития живой  природы. Фотосинтез – это образование  в клетках растений и цианобактерий  органических веществ из углекислоты и воды при участии света, которое сопровождается выделением молекулярного кислорода. Появление фотосинтеза произошло примерно 3900 млн. лет назад. Оно стало крупнейшим прогрессивным событием в эволюции живого мира – ароморфозом.

Итак, совместное существование  автотрофов и гетеротрофов уже на самых ранних этапах развития жизни давало возможность одним организмам питаться органикой, создаваемой другими организмами. При этом сформировались способы добывания пищи: хищничество, паразитизм, симбиотрофизм и сапрофагия (греч. sapros – гнилой,   hhagos – пожирающий).

Почему прокариоты не обладают способностью к фагоцитозу и пиноцитозу? Дело в том, что у прокариот отсутствует так называемая актиново-миозиновая система. Актин и миозин — универсальные сократительные белки клеток эукариот, то есть клеток, имеющих ядро и другие органеллы. Эти белки обеспечивают амебоидную активность, движение органелл внутри клетки, мышечные сокращения и другие формы клеточной подвижности эукариот. Актиново-миозиновая система обеспечивает способность образовывать псевдоподии, захватывать ими жертву и формировать пищеварительные вакуоли. Таким образом, можно утверждать, что появление эукариот было связано с появлением актиново-миозиновой системы, которая позволила питаться путем фагоцитоза, активно захватывая крупные пищевые частицы.

Появление таких эукариотных организмов необычайно ускорило биотический круговорот, поскольку они стали потребителями бактериальной биомассы. Это явилось следующим крупным событием в эволюции живого мира.

Появление эукариот произошло 2000 млн. лет назад. Переваривая клетки бактерий, фаготрофные эукариоты  быстро возвращали в биотический  круговорот элементы, которые до этого могли вернуться в него только путем медленного разложения. Можно предполагать, что появление эукариот означало резкое уменьшение части «бактериальных ископаемых», то есть отложений органических и неорганических веществ, возникших за счет деятельности бактерий. То, что раньше захоранивалось и превращалось в нефти и газ, теперь стало возвращаться в биологический круговорот и включалось в тела организмов снова и снова. Способ питания эукариот путем захвата пищевых частиц означал, что хищник был крупнее жертвы. Действительно, линейные размеры мелких почвенных амеб или жгутиконосцов, питающихся бактериями, приблизительно в 10 раз больше размеров бактерий.

Примерно 2000 млн. лет назад в  биосфере началось накопление свободного кислорода в результате деятельности фотосинтезирующих бактерий, и сформировалась атмосфера. Первичная атмосфера была бескислородной, и накопление свободного кислорода в результате — это страшная катастрофа, ведь кислород необычайно активен, он быстро окисляет органическое вещество и необратимо повреждает живые тела. На самом деле кислород накапливался и раньше внутри строматолитов и там возникли оксифильные бактерии. Но когда его концентрация возросла до 1–2 % в атмосфере планеты, все организмы ожидала мучительная гибель. Эту кислородную катастрофу пережили те организмы, которые включили оксифильных бактерий внутрь своих клеток как симбионтов. Так возникли митохондрии — несоменнные родственники альфа-протеобактерий. Митохондрии — это энергетические станции клетки, первичная функция которых — инактивация кислорода путем окисления ненужных продуктов обмена.

Появление фотосинтезирующих организмов эукариот-водорослей ускорило накопление свободного кислорода в атмосфере.

Бактерии и цианобактерии первыми  сделали выход на сушу. Ученые предполагают, что это произошло около 3500 млн. лет назад, еще до появления эукариот. Выход на сушу бактерий и цианобактерий явилось важнейшим событием в эволюции органического мира. Спустя много времени на сушу вышли и эукариоты. Это произошло около 600 млн. лет назад. С тех пор эволюция живого мира, в том числе и эволюция микроорганизмов шла не только в водной среде, но и в наземно-воздушной.

В настоящее время бактерии встречаются  повсеместно в самых разнообразных условиях среды: в воздухе, воде, почве, глубинах земной коры, в организмах растений и животных.

Бактерии были открыты голландцем А.Левенгуком еще в 1675 году, но только  великий французский ученый Луи Пастер (1822-1895) впервые показал их роль  в процессе брожения и других превращений веществ в природе.

Микроорганизмам свойственна наследственная изменчивость – мутации. С помощью отбора мутаций создаются активные штампы микроорганизмов, ценных для человека.

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней. М., 2000.
2. Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. М., 1984.
3. Мирабдуллаев И.М. Эволюция пластид и происхождение цианобактерий // Журнал общей биол. 1985. Т.46
4. Мирабдуллаев И.М. Проблема происхождения эукариот // Успехи современной биологии. 1989а. Т.107.
5. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 1987.