У світі бактерій
Жданова Т. Д.
Познайомимося зі світом бактерії, яка демонструє
нам приклад живої істоти з великими можливостями, здібностями і
різноманіттям поведінкових проявів. Вона, без сумніву, являє собою шедевр
організації. Адже в рамках однієї клітини бактерія має справлятися з усіма
завданнями, які багатоклітинні організми вирішують за допомогою мільйонів клітин
свого тіла. У той же час, що існує думка про примітивності одноклітинних
організмів наполегливо відтворюється в навчальній та популярній літературі: «Можна
сказати, що бактеріальна клітина - просто мішечок, набитий різними
речовинами ». Можливо, таке розуміння грунтується тільки на видимій в
мікроскоп і схематично зображуваної «простоті будови» бактерії і
недостатньому знайомстві з науковими фактами про дивовижні проявах цих
живих істот.
Вже століття тому вченим була відома ефемерність
видимого в біології. Та й провідні сучасні біологи намагаються не спиратися в
своїх висновках тільки на видиме, залежне від сучасного рівня
дослідницької техніки. Вони розуміють, що в науці про життя, як і у фізиці,
безпосередня ненаблюдаемость того чи іншого феномена і неможливість
зображення не означає заперечення його існування. На тому ж самому підставі
фізиками не могли бути відкриті елементарні частинки. І в біології - якщо ми і
не бачимо у живих істот певних органів, то нам все ж таки доводиться
визнавати в них ту чи іншу діяльність. Дихають всі тварини, навіть ті, які
не мають конкретних дихальних органів. Одноклітинних тварин приймає їжу
і перетравлює її, хоча у нього немає ні шлунка, ні кишки. Воно пересувається без
м'язів, відчуває і діє не тільки довільно, а й доцільно.
У представлених далі матеріалах ви зможете
переконатися, що бактерія теж наділена всім, по-перше, для здійснення
харчування і травлення, обміну речовин і видалення його продуктів. По-друге, ця
дивовижна бактерія наділена відчуттями і сприйняттям зовнішньої і внутрішньої
середовища, пам'яттю і здатністю приймати потрібні рішення, здійснювати
координацію і керування процесами життєдіяльності. Вона забезпечена навіть
досить складним репродуктивним інстинктом - свою пару бактерія «закликає» так
само, як і багатоклітинні тварини, посилаючи в навколишнє середовище сигнальну
інформацію - строго специфічні кожного виду речовини (феромони). І все це за
рахунок однієї єдиної клітини!
Можливості організму
Про основної частини (99,9%) всіх видів бактерій ми
нічого не знаємо, тому що вони в основному не культивуються в лабораторних умовах.
Знання наші засновані на 0,1% видів бактерій (а їх 3 млн. видів). Але і це
досліджене їх кількість показує, що світ живого незбагненно складний і
воістину невичерпний! Розглянемо це на прикладах.
Життєдіяльність в екстремальних умовах. Цим
мініатюрним істотам дано все, щоб Земля була населена представниками
живого світу від краю і до краю. Адже бактерії живуть там, де не можуть жити ні
рослини, ні тварини. Завдяки тому, що багато хто з них не потребують
кисні, всюдисущі мікроорганізми проникають у товщу землі на сотні метрів,
населяють прісні води, моря й океани. Їх вдається виявляти у верхніх шарах
атмосфери на висоті кількох десятків кілометрів, в глибоких підземних
свердловинах і в товщі льодовиків. А коли бактерій, виявлених під потужним льодом
Антарктиди, відігріли, малята ожили, хоч вік їх був тисячі років.
Бактерії можуть жити в широкому діапазоні негативних
і позитивних температур, в кислому і лужному середовищі (при рН від 0 до 10), при
тиску до 1000 атм. Одним з недавніх відкриттів стало те, що бактерії
деяких видів здатні жити у воді з температурою 4000 С! Такі джерела
знаходяться в океанських глибинах. Коли в земній корі утворюються розломи, гаряча
вода спрямовується назовні. І лише величезний тиск утримує її в такому
стані. Вчені поки що не зуміли з'ясувати, яким чином ці створення здатні
жити при температурах, які вбивають усе живе. А наприклад, галобактеріі НЕ
можуть існувати ні в прісної, ні в звичайній морській воді. Їхній організм влаштований
для життєдіяльності в таких дуже солоних безстічних водах, як в Мертвому
озері, тобто практично в «розсолах». Деякі ж бактерії чудово себе
відчувають навіть у воді, охолоджуючої ядерні реактори, де дуже високий рівень
радіації. Бактерії цілого ряду видів мешкають в живих організмах. При цьому в
одному тілі співіснують представники тисяч різних видів корисних і шкідливих
для господаря бактерій.
Широкий діапазон умов проживання цих
мікроскопічних істот показує, якими дивовижними можливостями наділений
їх організм.
Бактерія лагодить свою єдину молекулу ДНК.
Завдяки складності будови і досконалим систем організму, бактерії
реагувати здатні на зовнішні впливи і часто усувати його «поломки».
Відомо, що організм, навіть одноклітинний, завжди зайнятий виготовленням і
лагодженням складних молекул, з яких він складається. Як тільки він перестане це
робити, то помре і перетвориться на сукупність більш-менш вільних атомів.
А вони вже будуть не здатні самі з'єднатися у макромолекули, які
автоматично не можуть об'єднатися, щоб відновити живу клітину.
За здатності ремонтувати (відтворювати) кільцеву
макромолекул ДНК - саму складну структуру клітини, її «бібліотеку»
спадкових знань, що координує і керуючий центр - бактеріальний
організм не знає собі рівних! Виявлені бактерії одного з видів, що виносять
дозу радіації, в 60000 разів більшу смертельною для багатоклітинного тварини. І
хоча таке випромінювання буквально рве на шматки ДНК бактерії, після припинення
опромінення її організм здатний привести свою макромолекул в повний порядок. Але
адже з класичної теорії саме ДНК є «банком» різних
інформаційних даних і керує процесами синтезу всіх молекул. Яка ж
тоді структура очолює складний комплекс робіт з відтворення самого
носія генетичної інформації? Виходить, що існує інший керуючий
центр клітини і носій спадкових знань з побудови макромолекули ДНК,
який не зазнає змін при опроміненні.
Здатність відчувати навколишній світ
Який ступеня складності повинен бути організм, щоб
мати органи чуття, правильно сприймати довкілля й визначати
власні потреби, мати короткочасну і тривалу пам'ять, приймати
правильні рішення, щоб адекватно реагувати на будь-які дії, та й
взагалі проявляти індивідуальні риси? - Задалися питанням вчені. І самі ж на
нього здивовано відповіли. Усім цим критеріям відповідають одноклітинні
бактерії, хоча за традиційним поняттям, обмеженим рамками існуючих
концепцій, вони повинні представляти собою найпростіші і без почуттів форми
життя. Продемонструємо це на прикладах.
Загадки чутливості бактерій. Навіть не зовсім
складні дослідження з мініатюрними одноклітинними істотами дозволяють
переконатися, якою надзвичайною здатністю реагувати на присутність речовин і
різних полів вони наділені. Серед них можна знайти рекордсменів, здатних
відчувати окремі молекули речовин і вловлювати найслабші відомі нам, а
можливо, і невідомі поля. Адже у багатьох істот їх дивовижні прилади
не можна розглянути навіть в електронний мікроскоп.
Хімічне почуття у бактерій подібно до сприйняття
запаху і смаку. Вони, наприклад, вміють розпізнавати різні речовини і активно
реагувати на них спрямованими рухами (хемотаксис). Відомі
залучають, звичайно корисні для бактерій, речовини (атрактанти), в числі
яких - амінокислоти, і відлякують речовини (репеленти) - всякого роду
шкідливі хімікати.
Відомо, що сигнальні молекули цих аттрактантів і
репелентів бактерія відчуває за допомогою які знаходяться на її поверхні
специфічних рецепторів (хеморецепторів). Причому кожен вид рецепторів
взаємодіє тільки з певним сигнальним речовиною, завдяки чому вони
керують поведінкою бактерії. Вона спливають від шкідливих речовин і прагне до
корисним. Дивним є, по-перше те, що бактеріальний організм
забезпечений не тільки власним рецептором на кожне з них, але і «знає» всю
гаму важливих для його життя конкретних хімічних молекул. А по-друге, що
бактерія відчуває «запах» або «смак» просто приємних або неприємних речовин
складного складу. Наприклад, бактерія активно рухається в напрямку
«Смачною» для неї їжі - курячого бульйону. Звідки у бактерії знання, що
компоненти курячого відвару корисні або приємні, і сигнал на них від рецепторів
викликає позитивний відгук її організму?
У деяких випадках бактерії відчувають речовини
набагато краще, ніж ми. Вони відчувають буквально лічені іони або молекули,
присутні у великих обсягах водного середовища. Або, наприклад, бактерія може
відчути різницю між однією і двома частками серед десяти тисяч таких же
частинок. Уявіть для порівняння, що перед вами дві скляні банки,
заповнені монетками, і вам потрібно «відчути», у якій з них рівно десять
тисяч монет, а в якій - 9999!
Загадкову здатність бактерії відгукуватися на
одну-єдину молекулу вчені намагаються пояснити різними теоріями, у тому
числі «ефектом доміно». Рецептори на поверхні клітини поєднані в гігантський
кластер (групу). І варто лише однією з молекул речовини вступити до
взаємодія з одним із рецепторів, як спрацьовує «ефект доміно». Весь
кластер перебудовується, змінюючи стан поверхні клітини, її функції і
поведінки.
Сприйняття різних видів енергій. Молекулярно
організовані, але не видимі поки нами «органи чуття» бактерії призначені
для регуляції процесів її життєдіяльності.
різних зовнішніх подіях, причому не тільки завдяки показаному вище
хімічної взаємодії з сигнальними речовинами. Бактерія диференційовано
сприймає у вигляді роздратування і багато видів енергій: світлові хвилі, енергії
молекул пахучих речовин, звукові коливання, гравітацію, вібрації, кутові
прискорення і т. п.
Наприклад, у багатьох видів бактерій, які проживають в
солоних водах і опадах, є крихітні ланцюжка кристалічних частинок
магнетосом. Вони містять залізо у вигляді магнетиту і допомагають бактерії відчувати
магнітні поля, направляючи їх рух за допомогою геомагнітного поля Землі. Так,
бактерії з морських відкладень завдяки своєму компасу легко орієнтуються і
швидко мігрують у потрібному напрямку. Бактерія, що створює собі компас, - факт
дивний. Цікаво, що на відміну від більшості бактерій з магнетосомамі,
три їх види, що віддають перевагу, насичені сіркою, води, будують свої компаси не з
окису заліза. Вони утворюють кристалічна речовина - греігіт, поєднуючи залізо
з сіркою. Цікаво, що представники кожного виду створюють власний кристал
греігіта за унікальною, поки не розгаданою людьми технології. Її, як і всі
феноменально складне і доцільне, що вкладено в ці одноклітинні
істоти, бактерії в незмінному вигляді передають через століття: від предків - до
нащадкам.
Відкривши унікальну чутливість бактерій, люди
намагаються використовувати її собі на користь. Наприклад, бактерії можуть
попереджати нас про сплесках сонячної активності за тиждень до їх появи.
Бактерії, здатні змінювати своє забарвлення, є головною «деталлю» надчуттєвим
приладу. На що вони реагують - на зміну електромагнітних полів або
сигнальні частинки, які летять від Сонця, - поки не з'ясовано. А деякі бактерії
можуть навіть служити сенсором для визначення якості приготовленої їжі, тому що
можуть у ній змінювати акустичний спектр в діапазоні 100 кГц - 15 мгц.
«Мозковий центр» бактерії
Як показано раніше, чутливість бактерії - це
результат впливу на її «органи чуття» різних сигналів. Вони відображають
як внутрішні процеси в організмі, так і вплив на нього зовнішнього середовища. І
циркуляція цих інформаційних сигналів усередині бактеріального організму
являє собою досить складну систему з багатьма зв'язками. Щоб правильно
реагувати на сигнали з навколишнього середовища, клітина бактерії має вирішити
кілька завдань:
• сприйняти сигнали, що несуть величезну кількість
інформації;
• доставити їх за призначенням;
• обробити отриману інформацію;
• адекватно відреагувати на отримання сигналів;
• вимкнути системи реагування після зникнення сигналів
і т. д.
Постійне переробка всієї інформації надзвичайно
важлива для життєдіяльності такої, здавалося б, «просто влаштованого»
організму. Для вирішення безлічі завдань у бактерії, мабуть, існує невідомий
науці незбагненний за складністю «мозковий» центр і аналог нервової системи, як
у багатоклітинних тварин. Розглянемо це докладніше.
Пристрої для цілеспрямованих рухів. Отже,
бактерії, за відсутності у них нервової системи і видимих органів чуття
мають властивість сприймати подразнення із зовнішнього середовища і від власних
органів. Оскільки у бактерії «в одній особі» представлені і клітка і організм в
цілому, то, сприйнявши роздратування, вони, кожен по-своєму, автоматично
реагують на нього. Клітка переходить у стан збудження - до активної
фізіологічної діяльності, що виражається, наприклад, у виникненні
біоелектричного потенціалу, здатного до поширення, а організм - до
активного руху.
Одні бактерії здатні до ковзної пересуванню за
рахунок спеціально існуючої слизової капсули на поверхні клітини. Інші ж
мають особливі органи руху - джгутики (від 1 до 50). Вони беруть свій початок під
цитоплазматичної мембраною, закріплюючись там за допомогою пари дисків. Обертаючи ці
джгутики бактерія зможе досить активно пересуватися, причому напрямок їх
обертання періодично змінюється. При обертанні джгутиків в один бік, бактерія
перекидається на місці, а при зворотному обертанні пливе по прямій лінії. У
однорідному середовищі бактерія пересувається у випадковому напрямку, який змінюється
після кожного періоду кувиркання. Якщо ж вона зустрічається з підвищеною
концентрацією якогось привабливого для неї речовини, то кувиркання
відбуваються рідше, а періоди прямого руху подовжуються, що призводить до
цілеспрямованого переміщення в бік більшої концентрації цієї речовини. І
навпаки, якщо виявиться, що вона пливе у напрямку до якогось
«Відлякує» її речовині, то кувиркання частішають, що сприяє зміні
напряму.
Що цікаво, здійснювати руху і керувати ними допомагає
дуже тонка і складна система навігації, яка направляє певні
сигнали до так званих «ротаційним моторів» джгутиків. Один такий надмалих
«Мотор» розміром до 30 нм (1мм - 30 000 таких моторчиків) може досягати 100
обертів на секунду! Вращается він як вперед, так і назад, даючи можливість
бактерії здійснювати чітко спрямовані руху. Для «будівництва» такого
«Ротаційного двигуна» повинні бути закодовані тисячі специфічних
внутрішньоорганізаційні структур. Джгутики - це абсолютно унікальне
освіта, що більше не зустрічається ні в кого в природі!
«Пам'ять» бактерій. Механізм руху бактерій,
здавалося б, простий, але навіть у ньому є тонкощі, яких важко очікувати від
бактерії. Наприклад, кувиркання залежить не від абсолютної концентрації якогось
речовини, а від її зміни. Хоча градієнт концентрації - явище
просторове, бактерія сприймає його в часі, у міру того, як
пливе. Вона зауважує, що концентрація стає вище або нижче, ніж була перед
цим. Іншими словами, у бактерії є щось подібне до пам'яті. Тому можна
замінити просторовий градієнт тимчасовим. Якщо взяти амінокислоту і
додати фермент, що руйнує її з подібною швидкістю, то концентрація
амінокислоти буде знижуватися. Бактерії відповідають на це збільшенням частоти
кувиркання і змінюють напрямок руху так, як ніби вони пливуть уздовж
градієнта в зону з більш низькою концентрацією.
Продовжуючи експерименти щодо впливу на бактерії
різних корисних або шкідливих для їх життєдіяльності, речовин, вчені
з'ясували, що бактерії мають не лише короткочасною, але і довготривалої
пам'яттю. Вони пам'ятають, де саме знаходили їжу. Зіткнувшись з невідомим
об'єктом, вони використовують ту чиіншу стратегію поводження з ним, а наступної
раз діють по пам'яті. І це одноклітинна бактерія! Адже ми з вами, вирішуючи,
наступати нам чи відступати, рухатися вперед або назад, задіємо сотні і
навіть тисячі клітин мозку! То є чи немає примітивні живі істоти?
Ученим поки не вдалося знайти жодного.
Бактерія не «біочипів», а індивідуальність. Деякі
вчені вважають, що бактерія - це своєрідний, рухливий самокерований
модуль, «біочипів», розміром менше 10 мкм, який об'єднує в одному «корпусі»
сенсор, логічне і виконавчий пристрій, а також системи рухливості.
Однак зараз достеменно відомо, що бактерії мають не тільки пам'ять, але
для них характерні і прояви індивідуальності! Хто ж такий індивід? Це
окремий організм, елементарна одиниця життя, що має всі ознаки,
властиві увазі, до якого вона належить. І разом з тим, людина має
свої особливості, які відрізняють його від інших таких же організмів цього виду. Це
характерно і для бактерій.
По-перше, дослідники з'ясували, що молоді
бактерії навчаються і запам'ятовують краще, ніж старі. Те, чого вони не дізналися в «юному
віці », вже можуть не дізнатися ніколи. А по-друге, вчені з подивом
дізналися, що окремі бактерії мають абсолютно унікальними особливостями
можливостями. І це незважаючи на однаковість генетичної структури і
навколишнього середовища в процесі експериментів!
Якщо в неорганічної природі діє закон про
збереження енергії, то у світі живого - закон збереження індивідуальності. Він
свідчить, що з моменту появи на світ виникає індивідуальна специфіка
організму, яка зберігається до його смерті. Бактерії, як видно з
вищевикладеного, не порушують закон індивідуальності.
Бактерії вміють «приймати рішення». Оскільки
характерною рисою живих істот, здатних до самостійної життєдіяльності
є постійне прийняття рішень та доцільне реагування на зміни
мікро-і макрооточення, то особлива важливість в цих процесах належить
інформаційної складової життєвих процесів. І, як було показано вище,
будь-які, навіть дрібні одноклітинні організми, включаючи бактерію, здатні
оцінювати і сортувати інформацію за її значимості для збереження своєї
життєздатності.
Дослідниками встановлено, що коли бактерії
отримують інформацію про місцезнаходження «смачною» їжі, вони не тільки активно
переміщуються в її напрямку, але навіть здатні «приймати рішення».
Переконавшись, що експериментальні особи знають, де знаходиться ця їжа, вчені
помістили на шляху проходження перешкоду у вигляді слабкого розчину дезинфікуючого
кошти. Бактерії зуміли за допомогою свого «мозкового» центру оцінити
інформацію про місцезнаходження корисних і шкідливих речовин на їх шляху. Дуже
досить швидко знайшли шлях в обхід отруйної перешкоди і попрямували до харчового
джерела. Ці результати досліджень приголомшили вчених.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані
матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/
