Алексей Целлариус - Нескучная биология
Прежде всего прокариоты способны получать энергию не двумя, а тремя разными способами: использовать энергию солнечного света (фототрофы); использовать энергию окисления минеральных веществ (хемотрофы); получать энергию за счет окисления органических веществ (органотрофы).
Изучение прокариот продвигается медленней, чем хотелось бы, как раз потому, что они способны существовать в самых немыслимых условиях. От дохлой прокариоты бактериологу мало пользы, поскольку внешне все они довольно однообразны. А вот чтобы изучить особенности их обмена, их нужно вырастить в культуре. А вы представляете себе, что такое создать культуру организмов, живущих в абсолютной темноте, при давлении в 500 атмосфер, питающихся водородом и требующих температуры 200 °C? Именно поэтому, например, анаэробные бактерии до сих пор изучены существенно хуже кислородных, а хемосинтетики – хуже органотрофов. Иной раз у бактериологов просто фантазии не хватает, чтобы создать условия, в которых будет расти какой – либо вид бактерий. И потому эти бактерии науке до сих пор не известны.
Среди фототрофов есть автотрофы, которые синтезируют органику из минеральных соединений. Одни производят углеводы из углекислого газа и воды, подобно зеленым растениям. А есть и такие, которые вместо воды пользуются совершенно другими соединениями, например сероводородом. Ну, это еще куда ни шло. Так ведь некоторые фототрофы используют в качестве источника углерода углекислый газ, но источником водорода вместо воды сероводорода или другого минерального соединения у них служат спирты или органические кислоты. То есть они «фото», но уж; никак не «авто», поскольку нуждаются в готовой органике. Для этой публики придумано название «фотогетеротрофы», хотя с гетеротрофными эукариотами все это имеет очень немного общего. Мало того. Есть среди фототрофных прокариот совершенно уникальные существа, которые используют энергию солнечного света не для синтеза топлива, а только для «зарядки» АТФ, а питательные вещества потребляют готовые. Эти создания настолько не лезут ни в какие ворота, что для их способа питания-дыхания даже названия соответствующего не смогли придумать.
Фототрофное питание
Хемотрофное питание
Хемотрофы получают энергию, окисляя неорганические вещества – аммиак, серу и ее соединения, соединения железа, водород. К хемотрофам относят и прокариот, окисляющих метан, хотя, строго говоря, метан – органическое соединение и большая часть метана на нашей планете есть результат деятельности метанообразующих архебактерий. Часть хемотрофов использует в качестве окислителя кислород. Но есть среди них и анаэробы, у которых окислителем служат другие вещества. Получаемая энергия аккумулируется в молекулах АТФ и далее обычно используется не для синтеза универсального топлива, а напрямую обеспечивает биохимическую кухню прокариоты. Вообще, хемотрофы в качестве источника углерода используют углекислый газ, поэтому к ним вполне применим термин «автотрофы». Но на самом деле у некоторых из них, например у метанообразующих архебактерий, механизм фиксации углерода настолько замысловат и необычен, что никаких аналогий с привычной схемой синтеза у автотрофных эукариот углядеть невозможно. И многие бактериологи предпочитают термин «хемолитотрофы».
Органотрофное питание
К органотрофам относятся прокариоты, которые получают энергию, окисляя органические вещества, и эти же вещества используют в качестве источника углерода. Собственно, в этой части своей жизнедеятельности они подобны нормальным гетеротрофам: привычных нам всем слонам, мухам, грибам и аскаридам. Однако, строго говоря, сходство это во многих случаях очень и очень поверхностное, потому бактериологи часто предпочитают термины «органотрофы» или «хемогетеротрофы». Дело в том, что у прокариот, это касается не только органотрофов, существуют такие наборы ферментов, такие метаболические пути и такие продукты метаболизма, которые эукариотам не приснятся и в страшном сне.
В Антарктиде, в пробах льда, взятых с глубины более 500 м, обнаружены вполне жизнеспособные бактерии, «оживающие» при повышении температуры. Возраст этих отложений – около 20 000 лет, то есть, вполне вероятно, бактерии вмерзли в лед, когда по Европе еще бродили стада мамонтов и шерстистых носорогов, на которых охотились наши волосатые предки. В той же Антарктиде существуют озера, укрытые толстым слоем нетающего льда. Сквозь лед и снег туда проникает некоторое количество света, и здесь существуют сообщества прокариот, группирующихся вокруг фотосинтезирующих цианобактерий.
Кто на земле главный?
Прокариоты – единственные существа, способные использовать в минеральной форме азот, серу, водород, – а эти элементы входят в состав всех белков. А кроме того, бактерия – основная группа организмов, разлагающая мертвую органику. Без них большая часть углерода планеты довольно быстро окажется связанной в многочисленных трупах животных и растений и высокоорганизованная жизнь на планете прекратится.
Общая масса прокариот на нашей планете выше, чем всех растений и животных вместе взятых. Геохимические циклы на поверхности планеты обслуживаются в первую очередь прокариотами. Если в один прекрасный, или, скорее, ужасный день с планеты исчезнут все прокариоты, то растения и животные просуществуют от силы пару лет, а большинство вымрет в течение нескольких месяцев. Если же вдруг исчезнут все эукариоты, то прокариоты будут благополучно существовать, как существовали они миллиарды лет до появления на Земле этих выскочек с клеточным ядром. Если смотреть в корень, не увлекаясь эффектной внешностью, то наша Земля была, есть и всегда останется миром, в котором властвуют прокариоты. И очень может быть, что наша старушка-планета просто не заметила два миллиарда лет назад появления эукариот, как не заметит и их исчезновения.
Внутренний мир эукариот
В чем разница?
По сути, эукариоты отличаются от прокариот двумя особенностями. Во-первых, ДНК эукариот собрана в особые структуры – хромосомы. Во-вторых, в эукариотических клетках существуют различные органы – обособленные части, выполняющие каждая свою функцию. Поскольку слово «орган» в биологии изначально применялось к частям многоклеточного организма, то органы клетки называют органеллами. Обособленность почти всех органелл заключается в том, что они окружены мембраной, а значит, в клетке эукариоты, в отличие от прокариоты, существуют внутриклеточные мембраны. Мембраны определяют, какие молекулы пропускать внутрь, а какие наружу, и в каком количестве. Вдобавок в мембрану встроены различные ферменты и на мембране идут многие биохимические процессы.
Ядро имеется у всех эукариотических клеток, неважно, является эта клетка самостоятельным организмом, вроде амебы или эвглены, или входит в состав организма многоклеточного. Впрочем, существуют и исключения. Зрелые эритроциты млекопитающих (красные кровяные тельца) ядер не имеют, равно как и некоторые клетки флоэмы у растений. Обычно ядро – самая крупная и заметная клеточная структура. Ядро окружено оболочкой, которая состоит из двойной мембраны. Оболочка пронизана специальными порами, через которые идет обмен различными веществами между ядром и остальной частью клетки. В полужидком «наполнителе» ядра – нуклеоплазме – расположены хромосомы.
Ядро, как и прочие органеллы, «плавает» в цитоплазме. Собственно, цитоплазма – это водный раствор различных веществ – солей, сахаров, аминокислот, нуклеотидов, ферментов и всего прочего хозяйства биохимической кухни. У многих типов клеток в цитоплазме существуют разно-образные течения, как течения в океане. Называется эта штука циклозом. В растворе цитоплазмы происходит и синтез некоторых соединений – нуклеотидов, жирных кислот, некоторых аминокислот.
Ядро окружают выросты наружной ядерной мембраны, образующие сложную систему сообщающихся каналов и сплющенных полостей – эндоплазматическая сеть. Именно в ней идет синтез липидов и синтезируются вещества, которые клетка выделяет наружу, в частности, пищеварительные ферменты, защитные вещества, гормоны.
Однако эндоплазматическая сеть не доводит транспортировку до конца. Доставка непосредственно на место осуществляется аппаратом Гольджи, еще одним типом клеточных органелл. Аппарат Гольджи – это стопка плоских выгнутых мембранных мешочков – цистерн. Выпуклой стороной стопка обращена к ядру. Ближняя к ядру цистерна образуется из сливающихся друг с другом мембранных пузырьков, отделяющихся от эндоплазматической сети. Образовавшаяся цис-терна медленно движется прочь от ядра, а на ее месте формируется следующая. На противоположном конце стопки крайняя цистерна тем временем снова распадается на пузырьки, которые направляются к тем или иным органеллам или к цитоплазматической мембране. Так что стопка постоянно наращивается на одном конце и «тает» на другом. Задача этого аппарата – доводка поступающих в него веществ до нужной потребителю кондиции и доставка потребителям. В частности, он преобразует прицепленные к белкам в эндоплазматической сети коротенькие углеводные цепочки.
