uzluga.ru
добавить свой файл




Содержание


Название главы

Номер страницы

Введение




Общая характеристика архей




Царство кренархеот




Царство эвриархеот




Группа экстремально галофильных архей




Группа кислотолюбивых архей




Как можно использовать археи в практической деятельности




Заключение




Список литературы




Приложения






Введение


Меня всегда интересовали следующие вопросы:

  • С чего началась жизнь на Земле?

  • Возможна ли жизнь на Земле в экстремальных условиях: слишком высокая или слишком низкая температура, высокое давление, высокая концентрация кислоты или соли?

  • Может ли существовать жизнь на других планетах, где условия по сравнению с Землей являются экстремальными?

  • Население Земли скоро достигнет 10 млрд. человек. Хватит ли природных ресурсов? Как нарастить биомассу?

  • Накопилось огромное количество бытовых и промышленных отходов. Строятся предприятия по их переработке. А можно ли найти простой, экономически выгодный и экологически чистый способ их утилизации?

  • Имеется достаточно много могильников животных, умерших от сибирской язвы. Есть опасность попадания «заразы» в почву и сточные воды. Как утилизировать погибших животных, не используя могильники?

Познакомившись с такими микроорганизмами как археи, я поняла, что можно утвердительно ответить на многие из этих вопросов.

Архебактерии (от греч.archaios - древний и бактерии) или археи, – одна из самых древних ветвей эволюции живых существ, группа микроорганизмов с прокариотной организацией клеток, резко отличающихся по ряду физиолого-биохимических свойств от истинных бактерий (эубактерий). Многими исследователями высказывалась мысль, что именно архебактерии были основной формой жизни на Земле в первый её период. Одним из важных аргументов в пользу этой идеи может быть то обстоятельство, что представители многих видов архебактерий используют в качестве единственного источника: углерода (то есть в качестве ростового субстрата для биосинтеза всех компонентов клеточной массы) - различные аминокислоты. Как известно, именно обнаружение аминокислот в Космосе и в коацерватных каплях - считается важным доводом в пользу возможности зарождения биологической жизни вообще и на нашей планете в частности. Можно предположить, что питательная среда для архебактерий на Земле могла сформироваться на самых ранних этапах биологической эволюции.

Архебактерии были открыты в 1977 году, хотя метанобразующие бактерии и галофилы (солелюбивые бактерии были известны довольно давно). Хотя это самые древние живые микроорганизмы, но многие их свойства еще не исследованы или по ним не проведены научно – практические эксперименты. Возможно, что более детальное изучение свойств архей даст ответ на многие вопросы, связанные с сохранением и восстановлением природных ресурсов Земли.

Основополагающий вопрос: может быть археи – это панацея от многих проблем человечества?

Цель данной работы: изучить один из видов микроорганизмов – археи.

Я поставила перед собой следующие задачи:

  • Познакомиться с литературой по данной проблеме.

  • Собрать необходимую информацию об археях.

  • Изучить особенности существования архей в природе.

  • Выяснить пользу и вред архей для человека.

  • Провести самоанализ собственной деятельности по данной проблеме.

Проблемные вопросы:

  1. Как устроены археи?

  2. В каких условиях живут?

  3. Какое значение имеют для человека?

  4. Каковы перспективы использования архей в практической деятельности человека?



Общая характеристика архей


Одним из основных достижений биологии конца ХХ в. явилось выявление трёх эволюционных ветвей жизни, сформировавшихся на заре её возникновения, - это домены бактерий, архей и эукарий. Археи отличаются от других организмов, только тем, что они способны к образованию метана. Многие являются экстремафилами, то есть способными развиваться в условиях крайних температур, повышенной кислотности и высокой солевой концентрации. Ко второй половине ХХ в. стало очевидным, что все живые организмы, имеющие клеточное строение, могут быть отнесены к одной из двух групп: прокариотам или эукариотам. Клетки прокариот устроены проще, они лишены окруженного оболочкой ядра. Эукариотические клетки сложнее организованы и имеют цитоплазматические рибосомы, отличные от рибосом прокариот. Предполагают, что существовал некий общий предок-«прогенот», но то, что он собой представлял неизвестно. Этот прогенот мог дать начало трем самостоятельным ветвям эволюционного древа. Ветви древа предположено рассматривать в качестве домена (владения) - эти домены бактерий, архей и эукарий.

По форме и размерам клеток, общим принципам их организации и характеру деления археи сходны с бактериями, хотя только среди них обнаружены организмы кубической формы. Многие археи подвижны и имеют жгутики, похожие на бактериальные, но несколько отличающиеся деталями организации. Однако представители этого домена имеют существенные особенности.

  • Важнейшей особенностью архей является своеобразие их рибосомальных и транспортных РНК (рибонуклеиновых кислот). Их рибосомы отличаются также и по форме.

  • В отличие от всех других организмов археи в составе мембранных липидов имеют не жирные кислоты, а многоатомные спирты, обычно с 20 или 40 атомами углерода. В последнем случае липидная пластина мембраны образована многомолекулярным слоем, что обеспечивает мембране особую прочность (см. Приложения, Рис.4)



  • Покровы клеток у разных архей могут иметь различное строение и химический состав, но им часто присуще наличие поверхностных слоев, образованных определенным образом структурированным и регулярно уложенными белковыми или гликопротеидными молекулами правильной или довольно причудливой формы. Иногда в состав клеточных стенок архей входят пептиды и полисахариды.

  • Мембраны архей состоят из двух слоев липидных молекул. Толщина мембраны примерно равна 7 нм (нанометров. 1нм = 10 -9 м).



  • Некоторые археи осуществляют биохимические процессы, не свойственные никаким другим организмам. Например, только определенные представители в процессе жизнедеятельности образуют метан.

  • Большинство архей – экстремофилы, т.е. развиваются при высокой температуре, кислотности в насыщенных солевых растворах.

  • Археи, видимо, не способны к паразитизму. По крайней мере к настоящему времени археи, приносящие вред каким-либо другим организмам не известны, хотя среди них много симбионтов.

  • Среди архей много автотрофных форм, не нуждающихся в органической пище и получающих необходимую энергию за счет окислительно-восстановительных реакций.

  • Отсутствие у архей муреина (стенки) привело к их устойчивости к пенициллину.

Все археи могут быть разделены на два царства:

  • Царство кренархеот

  • Царство эвриархеот.



Царство кренархеот


Название этого царства происходит от греческих корней «крен», означающего источник, ключ, и «рхее»- древний (древний источник). Эти организмы образуют довольно гомогенную (однородную по составу) группу. Они получают энергию в процессах, связанных с окислением или восстановлением соединений серы. Являются гипертермофилами, развиваются при температуре выше 800 C. Эти археи обитают исключительно в горячих источниках, на поверхности Земли или дне океана, обычно в зонах вулканической активности. Местом их обитания являются, в частности, окрестности глубоководных вулканических источников-«черных курильщиков», расположенных в океане на тысячеметровых глубинах. Температура воды в них, благодаря высокому давлению, может достигать 200-3000 C. При взаимодействии воды источника с морской водой образуется темный осадок, источник как бы дымит. Отсюда происходит название. Около таких источников растут экстремально термофильные археи, некоторые из них растут даже при температурах 100-1100 C. К ним относится, например, Pyrodiktium occultum (Пиродиктиум оккультум) - «огненная сеточка», организм представляющий собой сеточку, образованную шариками-кокками, соединёнными тяжами. Лучше всего «сеточка» развивается при температуре 1050 C, используя для жизни энергию окисления водорода элементарной серой:

H2 + S 2H2SO4 .

Когда американский микробиолог Томас Брок в 1968 году впервые доложил, на конференции результаты по этому поводу, многие его коллеги сочли, что он сумасшедший, а его сотрудники советовали поискать работу в другом месте. Все началось с того, что Брок поместил в горячие источники Йеллоустонского национального парка (с температурой воды близкой к точке кипения) стеклянные диски, с надеждой, что на них образуются колонии живущих в этой воде микроорганизмов. В те годы наивысшей температурой, при которой могла существовать жизнь, считали 70 0 С. Однако уже через несколько дней пластинки Брока покрылись тонким слоем микроорганизмов, и биолог удостоверился, что даже там, где температура никогда не падала ниже 100 0C , существует жизнь. Шли годы, и фантастические результаты Брока подтверждались другими исследователями. Оказалось, что в кипящих серных источниках Сицилии и в горячих грязевых скважинах Исландии тоже существуют микроорганизмы.

В России экстремально – термофильные археи распространены на Камчатке, где расположено множество термоминеральных источников: Говенские, рхеее – Апальские, Озерновские, Войновские, Дачные, Долина гейзеров и др.



Рис.2

Другой представитель кренархеот – Sulfolobus acidocaldarius (Сульфолобус оксидокалдариус) растёт при температурах до 1000 C, используя энергию окисления серы кислородом. 2S + O2 + 2H2O = 2H2SO4. Очевидно, что в результате жизнедеятельности Sulfolobus происходит сильное подкисление среды, но это для организма только полезно, т.к. он растет при значениях pH от 1 до 6.

Sulfolobus не имеет строго определенной формы и легко её изменяет. На его поверхности присутствуют волоски – пили, при помощи которых Sulfolobus может прикрепляться к частичкам серы, используемой им в качестве субстрата (исходного продукта) для дыхания.

Царство эвриархеот


Эти организмы распространены повсеместно. Некоторые формы, как и представители предыдущего царства, живут около «чёрных курильщиков». Это, например, Pyrococcus furiosus (Пирококкус фуриосус) «яростные огненные шарики». «Шарики» развиваются при отсутствии кислорода за счет использования органического вещества при температурах 70-1030 C. Однако представители эвриархеот обнаружены в арктической тундре и даже в Антарктиде. К эвриархеотам относится обширная группа метанобразующих архей. Биологическое образование метана осуществляется только археями. Основным путем образования метана является окисление водорода углекислотой – «карбонатное дыхание»:

4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O.

В некоторых случаях могут быть использованы соли муравьиной и уксусной кислот, метиловый спирт и метиламины. Таким образом, эти археи получают необходимую им энергию. Среди метанобразующих архей есть формы палочковидные, кокки (шарики), спиральные формы, иногда организм образован одной клеткой, иногда – многими.

Строение и состав клеточных стенок очень варьируют. Метанобразующие археи широко распространены, 1,0-1,5% углерода, участвующего в круговороте углерода в биосфере, проходит через стадию метана. При образовании метана может быть использован водород вулканического происхождения. Существуют экстремально термофильные (теплолюбивые) формы, развивающиеся в зонах горячих источников. Это, например, Methanothermus fervidus (Метанотермус фервидас), растущий при температурах 65-970 C. Образование метана происходит в осадках морей и пресноводных водоемов, болотах, почвах тундры и рисовых полей. Метанообраззующие бактерии входят в состав кишечной микрофлоры. Накопление метана, хотя и незначительное, отмечено в кишечнике человека. Метанобразующие бактерии интенсивно синтезируют витамин B12 и обеспечивают им своих хозяев. Эти бактерии являются внутриклеточными симбионтами некоторых простейших, особенно развивающихся при отсутствии кислорода.


Группа экстремально галофильных архей

Самостоятельную группу своеобразных организмов образуют экстремально галофильные (солелюбивые) археи, способные к росту в насыщенных солевых растворах. К ним относятся представители родов Halobacterium, Halococcus, Natronobacterium, Natronococcus (Галобактериум, Галококкус, Натронобактериум, Натронококкус) и некоторых других. Галлофилы наиболее изучены из всех архебактерий.

  • Они развиваются при концентрациях солей, превышающих 250-300 г/л. Natronobacterium и Natronococcus (Натронобактериум, Натронококкус)

  • Предпочитают щелочные водоемы с крайне высокими значениями pH.

  • Галлофилы живут за счет использования органических соединений, они могут расти в присутствии кислорода и без него. При отсутствии кислорода и наличия света у них происходит образование так называемых пурпурных или фиолетовых мембран – это участки поверхностной мембраны клетки, содержащие пигмент родопсин, аналогичный родопсину человеческого глаза(см. Приложение, Рис.2).



  • В пурпурных мембранах за счет энергии света происходит синтез АТФ (аденозинтрифосфата), являющегося основным носителем энергии в клетках живых организмов. Это энергия может быть использована археями для поддержания жизни, хотя существовать исключительно за счет световой энергии они не могут.

  • Клетки галлофилов обычно содержат также красные каротиновые пигменты, при их массовом развитии субстрат (соль, скопления органики и т. п.) окрашивается в красный цвет. Галлофилы населяют соляные озера, например Мертвое море. Вода его насыщена солями. Думали, что в нем нет никакой жизни, но оказалось, что Мертвое море населено археями.



Рис. 3

  • Археи обнаружены в соляных озерах США, Кении, в солярнах (мелких водоемов для выпаривания морской воды и получения соли). Соляные озера на юге России тоже заселены галофильными археями. Существуют сообщения о том, что клетки галофильных архей, замурованные в окаменевшую соль при высыхании водоема, могут сохраняться в жизнеспособном состоянии в течение многих миллионов лет, и, попав в благоприятные условия, начинают расти. Подобного рода данные, правда, вызывают сомнения и нуждаются в проверке.



Рис. 4


Группа кислотолюбивых архей


Особую группу эвриархеот составляют кислотолюбивые археи, использующие для жизни органические соединения. Сюда относятся так называемые термоплазы, развивающиеся в горячих и кислых вулканических источниках и лишенные клеточной стенки. Окружающая их клетки цитоплазматическая мембрана, обладает удивительной устойчивостью. Еще более кислотолюбив Picrophilus (Пикрофилус), что в переводе означает кислотолюб. Эта архея растет только при значениях pH ниже 2,2 и даже при pH около 0. Развивается она при температуре 50-550 C. Клетки этой археи, кроме цитоплазматической мембраны, окружены структурированным слоем белковых субъединиц. Нужно иметь в виду, что раствор, в котором живут эти организмы, попав на кожу человека, неизбежно вызовет сильный ожог, а на одежде образует дырку.

Изучение архей приносит все новые свидетельства удивительной способности живых организмов приспосабливаться к существованию в условиях, казалось бы, для жизни непригодных.


Как можно использовать археи в практической деятельности?


Метанобразующие археи могут приносить практическую пользу.

  • Так, существуют методы утилизации органических отходов в так называемых метанках. В метанках при высокой температуре и отсутствии кислорода происходит сбраживание разнообразной микрофлорой, в результате чего образуются водород и углекислота, которые используются археями при образовании метана. Благодаря высокой температуре процессы идут с высокой интенсивностью. В литературе сообщалось, что от трупа лошади, помещенного в такой метантенк, через неделю остался лишь один скелет.

  • Такой метод, должно быть, очень эффективен при утилизации умерших животных от заразных болезней, в частности, от сибирской язвы. Этот способ утилизации является более экологически чистым, чем захоронения в могильниках.

  • Были сконструированы также установки для получения горючего газа – метана из соломы, что, как предполагают, может обеспечить газом небольшие сельскохозяйственные поселения.

  • Свойство архей образовывать метан можно использовать при переработке огромного количества мусора. Полученный метан можно использовать для отопления сельского населения. Здесь двойная польза: чисто и тепло.

  • Архебактерия является родоначальницей живого на планете, носителем ДНК, в которой заложена информация борьбы за выживание, информация здоровых клеток. Это свойство архей может быть использовано при лечении разного рода болезней живых организмов. Что произойдет, вполне возможно, скоро при нынешнем интересе к развитию нанотехнологий.



Заключение


рхее – значит древний, и на древней Земле в начальные периоды эволюции жизни археи, видимо доминировали в биосфере и играли ведущую роль в биологических процессах трансформации элементов. В океанических глубинах около вулканических источников типа «черных курильщиков» могла развиваться жизнь, независимая от энергии Солнца, возможность существования которой еще недавно трудно было себе представить. Влияния, которое оказали археи на эволюцию жизни на Земле, трудно оценить. Сведения об этой группе живых организмов стремительно расширяются с каждым.

Архебактерия является родоначальницей всего живого на планете, это самая первая клетка на Земле, из которой произошел биологический мир животных и растений. За все время своего существования архея осталась в том неизменном, первозданном виде, в котором была многие тысячелетия. Это значит, что архебактерия является носителем ДНК – информации и в её генетическом аппарате заложена информация борьбы за выживание и сохранения себя как вида. Эту информацию выживания и защиты при проникновении к нам в организм она передает на генетическом уровне нашим клеткам, оказывая мощное оздоровительное воздействие в целом. В результате побуждаются здоровые клетки, а больные получают возможность энергетической подпитки и восстановления их защитных функций.

Конец ХХ столетия характеризуется бурным развитием биологии. Выявление эволюционных ветвей живых организмов, сформировавшихся еще на заре жизни, выяснение особенностей организации, физиологии и экологии различных их представителей, бесспорно, имеют огромное общенаучное значение. Одним из основных достижением в области изучения биоразнообразия является выявление группы архей как самостоятельного домена живых организмов. Археи, несомненно, сыгравшие существенную роль в эволюции биосферы, и в наше время занимают в ней своеобразное место, обеспечивая прохождение определенных процессов круговорота веществ, являющихся необходимым условием ее существования.

  • С развитием нанотехнологий археи могут сыграть значительную роль во многих сферах деятельности человека: медицине, генетике, экологии, биокомпьютерах, наращивании биомассы планеты и т.д.

  • Удалось ответить на поставленные цели и задачи.

  • Удалось ответить на проблемные и волнующие меня вопросы.

Работая над рефератом, я научилась производить отбор нужной информации, научилась структурировать необходимый материал. Научилась понимать очень трудные, наукообразные тексты, содержащие множество научных терминов.


Используемая литература:


1. Горелов А.А Социальная экология. М. Изд – во философии РАН,1998г

2. Зорина З.А., И.И Полетаева, Ж.И. Резникова. Основы этологии и генетики поведения. М.: Изд – во МГУ, 1999г.

3. Соросовский образовательный журнал, № 4за 1997 г.

4 Д.А.Складнев.Археобактерии – первые на Земле, первые в биокомпьютерах. – М. ФГУП «ГосНИИгенетика», 1997г.

5. Зенович Е.С. Словарь иностранных слов и выражений. – М. Олимп, ООО «Издательство АСТ – ЛТД», 1997 г.