Прокариоты
Прокариоты
Систематика и эволюция
Исторически живую природу классифицировали на царства растений, грибов и животных, однако с развитием микробиологии были выделены одноклеточные микроорганизмы. В современной систематике продолжаются дискуссии относительно точного положения прокариот. Существует традиционная система двух царств, разделяющая живые организмы на эукариот и прокариот, а также более детализированная система трех царств или доменов, выделяющая бактерий, архей и эукариот. Бактерии и археи относятся к прокариотам, однако биохимия архей имеет существенные отличия от бактериальной. Археи обладают рядом структурных признаков, сближающих их с эукариотами, в частности, наличием гистонов — специфических белков, связанных с дезоксирибонуклеиновой кислотой, а также весьма схожими механизмами репликации и репарации генетического материала. Важнейшим фактором эволюции прокариот является горизонтальный перенос генов, представляющий собой обмен генетической информацией между клетками при непосредственном контакте без полового процесса. Предполагается, что именно благодаря горизонтальному обмену генами между археями и бактериями в процессе эволюции возникли эукариотические организмы.
Анатомия и физиология
Фундаментальным отличием прокариот от эукариот является отсутствие четко оформленного клеточного ядра и мембранных органелл. Генетический материал прокариот организован в виде нуклеоида. Дополнительно в клетке могут находиться плазмиды и небольшие вакуоли. Аппарат синтеза белка представлен мелкими рибосомами, которые свободно располагаются в цитоплазме и не ограничены внутриклеточными мембранами. Для передвижения в пространстве многие прокариоты используют жгутики. У некоторых представителей присутствуют специализированные структуры, обеспечивающие протекание процессов фотосинтеза. Размеры прокариотических клеток в десятки и сотни раз меньше клеток эукариот и составляют в среднем от 1 до 10 микрометров. Наименьшие известные живые организмы имеют размер от 0,12 до 0,2 микрометра. Минимальный набор генов, необходимый для самостоятельного поддержания жизнедеятельности, составляет около 382 генов, что было экспериментально установлено при исследовании микоплазм. Морфология прокариотических клеток разнообразна: выделяют шаровидные формы (кокки), палочковидные (бациллы), спиралевидные (спирохеты) и формы в виде запятой (вибрионы). Встречаются также нестандартные плоские или квадратные формы, однако подавляющее большинство прокариот представлено кокками и бациллами.
Экология и значение
Прокариоты составляют основу биомассы Земли, тотально превосходя многоклеточные организмы, на долю которых приходится лишь несколько процентов от общего объема биомассы планеты. Они повсеместно распространены во всех средах обитания. В Мировом океане прокариоты составляют около 90 процентов всех живых организмов, при этом на морском дне локализуются огромные популяции архей. Почва отличается колоссальной плотностью заселения микроорганизмами: в одном грамме может содержаться до 10 миллиардов бактерий. Организм человека также является плотно заселенной средой обитания, в частности, желудочно-кишечный тракт содержит гигантское количество симбиотических бактерий. Экологический успех прокариот обусловлен их малыми размерами, что способствует ускоренному обмену веществ, высокой скорости изменчивости и быстрой адаптации к меняющимся условиям окружающей среды. При наступлении неблагоприятных условий прокариоты способны впадать в состояние анабиоза, характеризующееся минимальным уровнем обмена веществ, в котором они могут находиться до появления необходимых питательных ресурсов.
Особенности
Жизненный цикл прокариот отличается чрезвычайно высокой скоростью размножения. При попадании в благоприятную питательную среду микроорганизмы проходят фазу адаптации, после которой начинается период стремительного деления клеток, продолжающийся вплоть до полного истощения питательных веществ в субстрате. Размножение происходит путем деления клетки пополам, при этом материнская клетка фактически прекращает свое существование, трансформируясь в две дочерние. Скорость удвоения популяции значительно варьируется в зависимости от вида: кишечная палочка способна удваиваться каждые 17 минут, тогда как у бактерий туберкулеза этот процесс протекает медленнее и может занимать до 800 минут. Несмотря на абсолютное доминирование по массе и количеству особей в биосфере, видовое разнообразие прокариот формально оценивается как относительно низкое. В современной номенклатуре выделено лишь около трех тысяч видов, что совершенно несопоставимо с миллионами видов многоклеточных организмов. Данное противоречие объясняется спецификой и примитивностью системы наследственности безъядерных микроорганизмов, что затрудняет применение к ним стандартных критериев биологического вида.