Прокариоты их роль в биосфере земли. Биосфера и ее эволюция

Ответ от КоШкА[гуру]
Прокариоты иным образом осуществляют фотосинтез, нежели растения. Бактерии используют в этом процессе пигмент бактериохлорин
и не выделяют кислород в окружающую среду. Фотоавтотрофные архебактерии осуществляют фотосинтез при помощи бактериородопсина, а цианобактерии помимо хлорофилла имеют еще дополнительно два других пигмента: фикоцианин и фикоэритрин. Указанные факты показывают, что природа предусмотрела для реализации синтеза первичного органического вещества несколько пигментов, которые существенно расширяют спектральный состав излучения, доступного для фотосинтеза. Среди прокариот значительно распространен хемосинтез. Кроме того, среди бактериальных организмов имеются азотофиксирующие формы: это единственная на нашей планете группа живых организмов, которые способны усваивать азот непосредственно из атмосферного воздуха и таким образом вовлекать молекулярный азот в биологический цикл.
Бактерии и синезеленые включают в состав органического вещества до 90% всего входящего в биогенный цикл азота; оставшиеся же 10% азота связываются грозовыми электрическими разрядами. Из сказанного следует, что важнейшей функцией прокариот в биосфере является вовлечение в круговорот элементов из косной (неживой) природы.
В то же время прокариоты имеют еще и другую важнейшую функцию, прямо противоположную первой: возвращение неорганических веществ в окружающую среду путем разрушения (минерализации) органических соединений. Гетеротрофные бактерии функционируют не только в почве и воде, но и в кишечнике очень многих животных, где они интенсивно воздействуют переводу сложных соединений углеводов в более простые формы.
На уровне биосферы в целом прокариоты, в первую очередь бактерии, обладают еще одной очень важной функцией - концентрационной. Исследованиями установлено, что микроорганизмы способны активно извлекать из окружающей среды определенные элементы даже при крайне низких их концентрациях. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых микроорганизмов содержание железа, ванадия, марганца и ряда других в сотни раз выше, чем в окружающей их среде. Деятельностью бактерий собственно и созданы естественные месторождения этих элементов.
Свойства и функции прокариот настолько разнообразны, что в принципе они способны создавать устойчиво функционирующие свойственные (т. е. только при своем участии) экосистемы. Недаром в истории жизни на Земле почти 2 млрд. лет она и была представлена прокариотами. "Именно цианобактерии первыми заселили атолл Бикини после ядерного взрыва и остров Суррей, возникший в 1963 году в результате извержения подводного вулкана южнее Исландии. Высокая устойчивость к внешним воздействиям (ряд видов прокариот выдерживают температуру выше 100° С, кислую среду с рН около 1, соленость с содержанием в растворе 20-30% галита NaCl) превращает эту группу в представителей живого вещества в самых экстремальных условиях" (Шилов И. А. , 2000, с. 56)
еще смотри тут:
ссылка

Именно появление эукариотической клетки является одним из самых значимых событий биологической эволюции. Отличие эукариотических организмов от прокариотических состоит в более совершенной системе регуляции генома. А благодаря этому возросла приспособляемость одноклеточных организмов, их способность адаптироваться к меняющимся условиям среды без внесения наследственных изменений в геном. Благодаря возможности адаптироваться эукариоты смогли стать многоклеточными – в многоклеточном организме клетки с одним и тем же геномом, в зависимости от условий, образуют совершенно разные по морфологии и по функции ткани.

Этот ароморфоз произошел на рубеже Архея и Протерозоя (2,6 – 2,7 млрд. лет назад), что определили по биомаркерам – остаткам стероидных соединений, свойственных только эукариотическим клеткам. Появление эукариот совпадает по времени с кислородной революцией.

Считается общепризнанным, что эукариоты появились в результате симбиоза нескольких разновидностей прокариот. Видимо, митохондрии произошли от альфа-протеобактерий (аэробных эубактерий), пластиды – от цианобактерий, а цитоплазма – от неизвестной архебактерии. Пока еще нет общепринятой теории возникновения ядра, цитоскелета, а также жгутиков. Гипотезы возникновения жизни на Земле не внесли ясности в вопрос о возникновении клетки. Если о происхождении прокариотов практически нет никаких гипотез, правдоподобно описывающих их возникновение, то что касается происхождения эукариотических клеток, есть несколько точек зрения.

Основные гипотезы происхождения эукариот:

1. Симбиотическая гипотеза основана на двух концепциях. Согласно первой из этих концепций, самое фундаментальное разграничение в живой природе – это разграничение между бактериями и организмами, состоящими из клеток с истинными ядрами – протистами, животными, грибами и растениями. Вторая концепция состоит в том, что источником некоторых частей эукариотических клеток была эволюция симбиозов – формирование постоянных ассоциаций между организмами разных видов. Предполагается, что три класса органелл – митохондрии, реснички и фотосинтезирующие пластиды произошли от свободно живущих бактерий, которые в результате симбиоза были включены в состав клеток прокариот-хозяев. Эта теория в большой мере опирается на неодарвинистские представления, развитые генетиками, экологами, цитологами, которые связали Менделевскую генетику с Дарвиновской идеей естественного отбора. Она опирается также на молекулярную биологию, особенно на данные о структуре белков и последовательности аминокислот, на микропалеонтологию, изучающую наиболее ранние следы жизни на Земле, и на физику и химию атмосферы, поскольку эти науки имеют отношение к газам биологического происхождения.

2. Инвагинационная гипотеза говорит, что предковой формой эукариотической клетки был аэробный прокариот. Внутри находилось несколько геномов, прикреплявшихся к клеточной оболочке. Корпускулярные органеллы и ядро, возникли путем впячивания и отшнуровывания участков оболочки с последующей функциональной специализацией в ядро, митохондрий, хлоропласты. Потом в процессе эволюции произошло усложнение ядерного генома и появилась система цитоплазматических мембран. Эта гипотеза объясняет наличие в оболочках ядра, митохондрий, хлоропластов, двух мембран. Но она встречается с трудностями в объяснении различий в деталях процесса биосинтеза белка в корпускулярных органеллах и цитоплазме эукариотической клетки. В митохондриях и хлоропластах этот процесс в точности соответствует таковому в современных прокариотических клетках.

Происхождение эукариотической клетки согласно симбиотической (I) и инвагинационной (II) гипотезам:

1 - анаэробный прокариот (клетка-хозяин), 2 - прокариоты, имеющие митохондрии, 3 - сине-зеленая водоросль (презумптивный хлоропласт), 4 - сиирохетообразная бактерия (презумпгивный жгутик), 5 - примитивный эукариот со жгутиком, 6 - растительная клетка, 7 - животная клетка со жгутиком, 8 - аэробный прокариот (презумптивная митохондрия), 9 - аэробный прокариот (клетка-родоначальница согласно гипотезе II), 10 - инвагинации клеточной оболочки, давшие ядро и митохондрии, 11 - примитивный эукариот 12 - впячивание клеточной оболочки, давшее хлоропласт, 13 - растительная клетка; а -ДНК прокариотической клетки, б - митохондрия, в -ядро эукариотической клетки, г - жгутик, д - хлоропласт.

Имеющихся данных пока недостаточно для того, чтобы отдать предпочтение какой-то одной из гипотез или выработать новую, которая устроила бы большинство ученых, но в последние годы удалось убедительно доказать симбиогенетическую теорию происхождения эукариотической клетки.

Эволюционные возможности клеток эукариотического типа выше, чем прокариотического. Ведущая роль здесь принадлежит ядерному геному эукариот, который превосходит по размерам геном прокариот. Важные отличия заключаются в диплоидности эукариотических клеток благодаря наличию в ядрах двух комплектов генов, а также в многократном повторении некоторых генов.

Усложняется механизм регуляции жизнедеятельности клетки, что проявилось в увеличении относительного количества регуляторных генов, замене кольцевых «голых» молекул ДНК прокариот хромосомами, в которых ДНК соединена с белками.

Аэробное дыхание также послужило предпосылкой для развития многоклеточных форм. Сами эукариотические клетки появились на Земле после того, как концентрация O 2 в атмосфере достигла 1% (точка Пастера). А эта концентрация –необходимое условием аэробного дыхания.

Известно, что каждая эукариотическая клетка содержит геномы различного происхождения: в клетках животных и грибов это геномы ядра и митохондрий, а в клетках растений – также и пластид. Небольшая кольцевая ДНК содержится и в базальном тельце жгутиков эукариотических клеток.

Согласно методу молекулярных часов эукариоты возникли тогда же, когда и прокариоты. Но очевидно же, что в течение значительной части истории Земли на ней доминировали прокариоты. Первые клетки, которые соответствуют эукариотическим размерам (акритархи), имеют возраст 3 млрд. лет, но их природа все еще остается неясной. Почти несомненные остатки эукариот имеют возраст около 2 млрд. лет. И лишь после кислородной революции на поверхности планеты сложились благоприятные условия для эукариот (около 1 млрд. лет назад).

Скорее всего, основным предком эукариотических клеток стали архебактерии, которые перешли к питанию путем заглатывания пищевых частиц. Изменение формы клетки, необходимое для такого заглатывания, обеспечивал состоящий из актина и миозина цитоскелет. Наследственный аппарат такой клетки переместился вглубь от ее изменчивой поверхности, сохранив при этом свою связь с мембраной. А уже это послужило причиной возникновения ядерной оболочки с ядерными порами.

Поглощенные клеткой-хозяином бактерии могли продолжить свое существование внутри нее. Так, предками митохондрий стала группа фотосинтезирующих бактерий – пурпурные альфапротеобактерии. Внутри клетки-хозяина они утратили способность к фотосинтезу и приняли на себя окисление органических веществ. Благодаря им эукариотические клетки стали аэробными. Симбиозы с другими фотосинтезирующими клетками стали причиной приобретения растительными клетками пластид. Возможно, жгутики эукариотических клеток произошли в результате симбиоза клеток-хозяев с бактериями, которые были способны к извивающимся движениям.

Наследственный аппарат эукариотических клеток был устроен примерно так же, как у прокариот. Но в связи с необходимостью управления более крупной и сложной клеткой, позже изменилась организация хромосом, а ДНК оказалась связана с белками-гистонами. Прокариотическая организация сохранилась у геномов внутриклеточных симбионтов.

В результате различных актов симбиогенеза возникли различные группы эукариотических организмов: эукариотической клетка + цианобактерия = красные водоросли; эукариотическая клетка + бактерия-прохлорофита = зеленые водоросли. Даже хлоропласты золотистых, диатомовых, бурых и криптомонадовых водорослей возникли в результате двух последовательных симбиозов, о чем говорит наличие у них 4 мембран.

Появление эукариот было приурочено к такому периоду истории биосферы, когда условия были особенно нестабильны и непредсказуемы, когда приспособительная стратегия прокариот (быстрое мутирование, горизонтальный обмен генами и отбор устойчивых клонов) оказалась слишком расточительной и недостаточно эффективной. В такой ситуации большое преимущество могла получить принципиально более универсальная и экономичная адаптивная стратегия, основанная на развитии целесообразной модификационной изменчивости.

Пожалуй, становление эукариот и развитие у них полового процесса сделали структуру изменчивости и биоразнообразия более дискретной и «управляемой» – это должно было привести к ускоренному росту биоразнообразия и к повышению эволюционной пластичности и экологической толерантности видов, сообществ и биоты в целом.

Появление эукариот можно по праву назвать «эталонным» ароморфозом. В этом событии предельно ярко проявилась общая прогрессивная направленность биологической эволюции. Прогресс выразился не только в усложнении организации, расширении суммарной адаптивной зоны жизни, росте биомассы и численности, повышении автономности организмов но и в повышении устойчивости живых систем.

На примере эукариот отчетливо показано, что появление новых форм жизни следует рассматривать не как результат эволюции каких-то отдельных филетических линий или клад, а как закономерный и неизбежный эффект развития систем высшего порядка – сообществ, биосферы и, возможно, всей планеты как единого целого.

Используемые источники:

А. В. Марков, А. М. Куликов. Происхождение эукариот как результат интеграционных процессов в микробном сообществе

А. В. Марков. Проблема происхождения эукариот

М. В. Ларина. Гипотезы происхождения эукариотических клеток. Возникновения многоклеточности

На современном этапе развития главная цель, стоящая перед школьным образованием, и в том числе перед биологическим, - подготовка культурного, высокообразованного человека, творческой личности. Решение этой глобальной задачи направлено на возрождение духовных, нравственных традиций, приобщение учеников к культуре, созданной за тысячелетнюю историю человечества, формирование нового стиля мышления - биоцентрического, без которого невозможно сохранение жизни в биосфере.

Биология вносит существенный вклад в формирование у школьников научной картины мира, здорового образа жизни, гигиенических норм и правил, экологической грамотности; в подготовку молодежи к трудовой деятельности в области медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, рационального природопользования и охраны природы. (3,6)

Содержание биологического образования включает знания об уровне организации и эволюции живой природы; биоразнообразии; обмене веществ и превращении энергии; размножении и индивидуальном развитии организмов, их связях со средой обитания и приспособленности к ней; об организме, его биологической природе и социальной сущности; санитарно-гигиенических нормах и правилах здорового образа жизни. (4,6)

Реализация этих задач осуществляется через программы и учебно-методические образования. В настоящее время существует несколько учебно-методических комплектов по биологии. Учитель может выбрать один из них с учетом особенностей регионов, уровня подготовки учащихся, специализации обучения в школе.

Именно от выбора программы зависит, в какой последовательности и как глубоко учащиеся будут изучать материал.

По программе Сивоглазова В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. в книге для учителя «Биология: общие закономерности» тема «Биогеохимическая деятельность микроорганизмов» не рассматривается как самостоятельная на отдельном уроке, а является составной частью других тем. Например, на уроке по теме «Значение прокариот в биоценозах, их экологическая роль» изучаются такие вопросы, как участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле; роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле, а также участие бактерий в круговороте важнейших элементов. На уроке по теме «Круговорот веществ в природе» наряду с другими вопросами рассматривается деятельность азотфиксирующих бактерий, благодаря которым атмосферный азот включается в круговорот, а также рассматривается деятельность микроорганизмов, участвующих в круговороте углерода, серы.

Рассмотрим эти уроки более подробно.

ЗНАЧЕНИЕ ПРОКАРИОТ В БИОЦЕНОЗАХ, ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ»

Опорные точки урока

Бактерии как примитивные формы жизни, обитающие повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах, во всех географических областях Земли

Участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле

Роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле

Участие бактерий в круговороте важнейших элементов

Болезнетворные бактерии, их роль в дикой природе и в цивилизованном обществе

Бактерии и пищевая промышленность

Роль бактерии в земледелии

Цианеи (сине-зеленые) -- наиболее древние из организмов, содержащих хлорофилл

Индикаторная роль цианей (сине-зеленых) как показателей степени загрязнения водоемов.

Задачи:

1. Охарактеризовать все возможные среды обитания прокариот на нашей планете.

2. Обосновать «вездесущность» бактерий и цианей (сине-зеленых) особенностями их строения, физиологических процессов и жизненных циклов.

3. Сформировать знания учащихся о важной экологической роли прокариот.

Ответьте на вопросы. Выполните задания:

1. Какое строение имеет бактериальная клетка?

2. Охарактеризуйте половой процесс бактерий.

3. На основании каких признаков, присущих сине-зеленым, их можно отнести к прокариотам?

4. Заполните схему, раскрывающую роль бактерий в природе и в жизни человека.

Роль бактерий в природе и в жизни человека

1..... 3..... 5.....

Колоссальную роль в биосфере играют бактерии, заселившие гидросферу, атмосферу в наибольшей степени, - литосферу. Быстрота их размножения и жизнедеятельность влияет на круговорот веществ в биосфере.

Основные положения

1. В биосфере совершается постоянный круговорот активных элементов, переходящих из организма в организм, в неживую природу и снова в организм. Главную роль в этом процессе играют бактерии гниения.

2. Прокариоты в силу своей способности к быстрому размножению обладают громадной генетической изменчивостью и приспособляемостью. По способу питания и использованию энергии различают несколько групп бактерии.

3. Приспособленность каждой группы бактерий к особым условиям среды (узкая специализация жизнедеятельности) приводит к тому, что одни бактерии сменяются другими в одной и той же среде. Например, в почве гнилостные бактерии разлагают органические остатки, выделяя аммиак, который другие бактерии превращают в азотистую, а затем в азотную кислоту. Величайший процесс в биосфере, осуществляемый бактериями, -- разложение при гниении всех мертвых тел всех обитателей Земли.

Справка

Вода, в 1 мл которой содержится 10 бактерий, остается на вид прозрачной, не замутненной.

Вопрос для размышления . Почему Л. Пастер назвал бактерии «великими могильщиками природы»?

Вопросы и задания для повторения.

1. Под действием каких организмов происходит полное разложение органического вещества отмерших особей на нашей планете?

2. Влияние каких экологических факторов может способствовать уничтожению бактерий?

3. Почему загрязнение почвы нефтепродуктами резко отрицательно скажется на состоянии всего биогеоценоза?

4. Почему бактерии относятся к группе: редуцентов в любом биогеоценозе?

5. Каким образом болезнетворные бактерии могут влиять на состояние макроорганизма (хозяина)?

6. В каких случаях в водоемах может наблюдаться массовое размножение синезелёных? К чему это может привести?

Информация для учителя

Бактерии и цианеи (синезеленые) распространены повсюду. Споры бактерий залетают на высоту 20 км, анаэробные бактерии проникают в земную кору на глубину свыше 3 км.

Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре -- 253°С. В одном грамме бактерий свыше 600 млрд. особей. Количество бактерий в одном грамме почвы измеряется сотнями миллионов.

Дополнительное задание

Напишите реферат на тему: «Неделя без бактерий на Земле».

Прокариоты иным образом осуществляют фотосинтез, нежели растения. Бактерии используют в этом процессе пигмент бактериохлорин
и не выделяют кислород в окружающую среду. Фотоавтотрофные архебактерии осуществляют фотосинтез при помощи бактериородопсина, а цианобактерии помимо хлорофилла имеют еще дополнительно два других пигмента: фикоцианин и фикоэритрин. Указанные факты показывают, что природа предусмотрела для реализации синтеза первичного органического вещества несколько пигментов, которые существенно расширяют спектральный состав излучения, доступного для фотосинтеза. Среди прокариот значительно распространен хемосинтез. Кроме того, среди бактериальных организмов имеются азотофиксирующие формы: это единственная на нашей планете группа живых организмов, которые способны усваивать азот непосредственно из атмосферного воздуха и таким образом вовлекать молекулярный азот в биологический цикл.
Бактерии и синезеленые включают в состав органического вещества до 90% всего входящего в биогенный цикл азота; оставшиеся же 10% азота связываются грозовыми электрическими разрядами. Из сказанного следует, что важнейшей функцией прокариот в биосфере является вовлечение в круговорот элементов из косной (неживой) природы.
В то же время прокариоты имеют еще и другую важнейшую функцию, прямо противоположную первой: возвращение неорганических веществ в окружающую среду путем разрушения (минерализации) органических соединений. Гетеротрофные бактерии функционируют не только в почве и воде, но и в кишечнике очень многих животных, где они интенсивно воздействуют переводу сложных соединений углеводов в более простые формы.
На уровне биосферы в целом прокариоты, в первую очередь бактерии, обладают еще одной очень важной функцией - концентрационной. Исследованиями установлено, что микроорганизмы способны активно извлекать из окружающей среды определенные элементы даже при крайне низких их концентрациях. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых микроорганизмов содержание железа, ванадия, марганца и ряда других в сотни раз выше, чем в окружающей их среде. Деятельностью бактерий собственно и созданы естественные месторождения этих элементов.
Свойства и функции прокариот настолько разнообразны, что в принципе они способны создавать устойчиво функционирующие свойственные (т. е. только при своем участии) экосистемы. Недаром в истории жизни на Земле почти 2 млрд. лет она и была представлена прокариотами. "Именно цианобактерии первыми заселили атолл Бикини после ядерного взрыва и остров Суррей, возникший в 1963 году в результате извержения подводного вулкана южнее Исландии. Высокая устойчивость к внешним воздействиям (ряд видов прокариот выдерживают температуру выше 100° С, кислую среду с рН около 1, соленость с содержанием в растворе 20-30% галита NaCl) превращает эту группу в представителей живого вещества в самых экстремальных условиях" (Шилов И.А., 2000, с. 56)