Царство Бактерии

Клетки бактерий состоят из обязательных элементов, которые присутствуют у всех видов, и дополнительных структур, помогающих адаптироваться к условиям среды.

Обязательные клеточные структуры

Рассмотрим элементы, без которых бактериальная клетка не может существовать:

• Нуклеоид — компактно уложенная генетическая информация. Это одна кольцевая молекула ДНК, которая располагается прямо в цитоплазме и хранит основные признаки клетки.
• Специфические рибосомы нужны для биосинтеза белка из аминокислот. У бактерий они мелкие и имеют коэффициент седиментации 70S. Это числовое значение часто проверяется в тестовой части ЕГЭ.
• Цитоплазматическая мембрана ограничивает содержимое клетки и выступает единственной мембраной в организме бактерии. При необходимости она образует впячивания внутрь клетки для осуществления процессов дыхания или фотосинтеза.
• Клеточная стенка придаёт организму постоянную форму и защищает от внешних воздействий. У бактерий она состоит из муреина.

Дополнительные клеточные структуры

Эти образования встречаются не у всех видов, но дают существенные преимущества для выживания:

• Плазмиды служат добавочной генетической информацией. Это малые кольцевые ДНК, способные удваиваться автономно. Они часто содержат гены устойчивости к антибиотикам.
• Ворсинки (пили) помогают клеткам прикрепляться к субстрату или к другим организмам.
• Жгутики присутствуют у подвижных форм и обеспечивают активное перемещение в жидкой среде.
• Слизистая капсула образуется поверх клеточной стенки. Она защищает микроорганизм от высыхания и делает болезнетворные виды менее уязвимыми для иммунной системы человека.

Жизнедеятельность включает питание, дыхание и размножение.

Типы питания прокариотов

Бактерии представлены обеими группами питания: автотрофами (самостоятельно создают органические вещества) и гетеротрофами (потребляют готовую органику).

• Автотрофы делятся на фотосинтетиков и хемосинтетиков. Первые используют энергию солнечного света (например, цианобактерии). Вторые получают энергию за счёт окисления неорганических веществ (железобактерии, серобактерии, нитрифицирующие бактерии).
• Гетеротрофы включают сапротрофов, паразитов и симбионтов. Сапротрофы питаются мёртвыми остатками, превращая их в минеральные соли (бактерии гниения). Паразиты живут за счёт организма хозяина и вызывают заболевания. Симбионты приносят хозяину взаимную выгоду (например, клубеньковые бактерии фиксируют атмосферный азот для бобовых растений).

Дыхание и получение энергии

Дыхание подразумевает окисление органических соединений для получения энергии. По отношению к кислороду микроорганизмы делятся на две группы:

• аэробы, которым для дыхания обязательно требуется свободный кислород;
• анаэробы, которые способны получать энергию бескислородным способом (чаще всего путём различных видов брожения).

Способы размножения и половой процесс

Размножение микроорганизмов протекает в благоприятных условиях. Основной способ увеличения численности — простое бинарное деление (деление надвое). Вначале кольцевая ДНК удваивается, затем клетка перетягивается пополам, образуя две идентичные дочерние особи. Митоз или мейоз у прокариотов не происходит.

У бактерий существует процесс конъюгации.

Обмен генетической информацией приводит к появлению новых свойств (устойчивости к лекарствам), но количество особей при этом не увеличивается.

Особенности спорообразования

При наступлении неблагоприятных условий (экстремальные температуры, отсутствие влаги, агрессивная химическая среда) клетка теряет воду, покрывается плотной защитной оболочкой и превращается в спору.

Споры способны переносить кипячение, радиацию и замораживание в течение долгих лет. Как только условия улучшаются, оболочка разрушается и микроорганизм переходит к активной жизни. Спора прокариотов нужна исключительно для переживания неблагоприятных условий и расселения. Функция размножения спорам бактерий не присуща.

Применим разобранную теорию к заданиям формата ЕГЭ.

Пример 1. Задание на выбор верных характеристик

В экосистеме к продуцентам относят хемосинтезирующие бактерии, так как они…

Необходимо выбрать три верных признака.

1. Прокариоты.
2. Окисляют органические вещества до неорганических.
3. Восстанавливают неорганический углерод.
4. Питаются гетеротрофно.
5. Формируют из неорганических веществ органические.
6. Образуют первичную продукцию.

Пошаговый разбор

1. Определяем смысловой центр вопроса. Задача выяснить, почему организм относится к уровню продуцентов. Продуценты создают первичную органику из неорганических веществ. Ищем утверждения, описывающие автотрофный тип питания.
2. Проверяем пункт 1: хемосинтетики действительно прокариоты, но этот факт никак не объясняет их принадлежность к продуцентам. Пропускаем.
3. Проверяем пункт 2: окисление органики до неорганики свойственно редуцентам. Пропускаем.
4. Проверяем пункт 3: восстановление неорганического углерода (из углекислого газа) требуется для создания глюкозы. Это признак автотрофов. Подходит.
5. Проверяем пункт 4: гетеротрофный тип питания противоречит смыслу продуцентов. Пропускаем.
6. Проверяем пункт 5: синтез органики из неорганики полностью подтверждает функцию продуцента. Подходит.
7. Проверяем пункт 6: образование первичной продукции выступает главным свойством продуцентов в экологических системах. Подходит.

Ответ: 356.

Пример 2. Практическая задача на анализ эксперимента

Экспериментатор выращивал культуру сенной палочки (Bacillus subtilis) на питательной среде, а затем подверг среду с бактериями пастеризации при температуре 60 °С в течение 10 часов. Как изменилось количество живых бактерий и их спор в среде после пастеризации? Для вариантов ответа даны: 1 (увеличится), 2 (уменьшится), 3 (не изменится).

Пошаговый разбор

1. Нагревание среды (пастеризация до 60 °С) — сильный стресс и неблагоприятное экологическое условие для большинства микроорганизмов.
2. Анализируем первый показатель (живые бактерии). Вегетативные формы не способны долго выдерживать высокую температуру, их оболочки и белки повреждаются. Количество активных клеток будет снижаться. Правильный вариант 2.
3. Анализируем второй показатель (количество спор). Столкнувшись с тепловым воздействием, выжившие клетки запустят процесс спорообразования в качестве защитной реакции. Они перестроят свой метаболизм, покроются плотной защитной оболочкой и перейдут в состояние покоя. Поскольку новые споры формируются на этапе гибели остальных клеток, суммарное число спор в среде возрастёт. Правильный вариант 1.

Ответ: 21.

Теперь ты можешь применить изученный материал на практике. Попробуй решить следующие задания. Для самоконтроля открой скрытый ответ под каждой задачей.

Задача 1

Выберите три верных ответа.

Бактерии и грибы составляют в экосистеме группу редуцентов, так как они:

1. превращают органические вещества организмов в минеральные;
2. обеспечивают замкнутость круговорота веществ и энергии;
3. имеют микроскопические размеры, не образуют тканей;
4. используются животными как пища;
5. образуют доступные растениям неорганические вещества, выделяя их в почву;
6. являются многоклеточными эукариотическими организмами.

Задача 2

Учёный изучал влияние антибиотика (пенициллина) на жизнеспособность бактерий. Для этого исследователь инкубировал одинаковые порции болезнетворных микроорганизмов с раствором антибиотика. Инкубация протекала разное время, после чего оценивалось выживание по количеству микробных колоний на питательной среде.

Результаты (время и среднее количество колоний):

• Без инкубации — 40 колоний.
• 1 час — 24 колонии.
• 2 часа — 19 колоний.
• 24 часа — 14 колоний.
• 48 часов — 13 колоний.

Выясните, почему при увеличении времени обработки препарата уменьшается количество живых клеток микроорганизмов? Почему даже после 48 часов контакта с сильным антибиотиком количество выживших клеток не опускается до нуля? Приведите подробное обоснование.

После изучения статьи у тебя есть чёткое понимание базовых принципов строения и жизнедеятельности прокариотов для решения заданий ЕГЭ.

Теперь ты умеешь:

• выделять отличительные черты прокариотической клетки (отсутствие истинного ядра и мембранных органоидов, кольцевая ДНК, клеточная стенка из муреина);
• различать обязательные (нуклеоид, рибосомы 70S) и дополнительные (плазмиды, жгутики) структуры;
• определять типы питания организмов, опираясь на признаки гетеротрофов и автотрофов;
• использовать свойства спор, бинарного деления и конъюгации при анализе биологических процессов.

Чтобы закрепить навыки, рекомендуем решить 8–10 разнотипных задач первой и второй части ЕГЭ из открытых источников и обратить внимание на формулировки условий. Успешной подготовки!