Книга: Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

§ 21 Прокариотические клетки. Вирусы

§ 21 Прокариотические клетки. Вирусы

Самые древние организмы нашей планеты не имеют клеточного ядра и мембранных органоидов. Поэтому их называют прокариотами, т. е. доядерными или предъядерными. К прокариотам относят представителей царства дробянок, куда входят бактерии и цианобактерии (синезелёные водоросли). Наследственный материал прокариот представлен кольцевой молекулой ДНК, расположенной в цитоплазме (рис. 51). Эта молекула не образует комплекса с белками, её называют нуклеоидом.

Размеры прокариотических клеток обычно значительно меньше, чем эукариотических. В то время как величина первых обычно составляет десятки или сотни микрометров, а иногда достигает нескольких сантиметров, размеры прокариотических клеток редко превышают 10 мкм, а часто составляют всего около 0,2–0,3 мкм[8].

В клетках прокариот отсутствуют митохондрии и пластиды, ЭПС, лизосомы и аппарат Гольджи. Для тех процессов, в которых необходимо участие мембран, существуют мембранные складки непостоянной формы, называемые мезосомами. Синтез белка обеспечивают мелкие рибосомы. Прокариотическая клетка, так же как и эукариотическая, окружена плазматической мембраной, поверх которой находится плотная оболочка, построенная из полисахарида муреина.

Рис. 51. Строение прокариотической клетки

Над этой оболочкой часто располагается слизистая капсула. Многие прокариоты имеют жгутики, с помощью которых они передвигаются.

Рис. 52. Образование спор у бактерий

В неблагоприятных условиях многие бактерии способны образовывать споры (рис. 52). При этом они покрываются очень плотной оболочкой и прекращают свою жизнедеятельность. Когда же наступают благоприятные условия (а это может произойти через десятки, сотни, а иногда и через миллионы лет), спора вновь становится активно живущей бактерией.

Внешний вид прокариотических клеток не отличается большим разнообразием. В большинстве случаев это палочки, прямые или изогнутые, или шарики (рис. 53). Бактерии в виде палочек называют бациллами, а бактерии круглой формы – кокками. Существуют ещё вибрионы – короткие загнутые клетки, а также спиралевидные бактерии – спириллы и спирохеты.

Многие прокариоты являются аэробами, т. е. им для жизнедеятельности необходим кислород. Однако существуют и анаэробные бактерии, для которых кислород губителен. Это возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма. Обычно споры этих бактерий находятся в почве, где не проявляют признаков жизни. Попадая в благоприятные условия, споры активизируются, и бактерии начинают размножаться, выделяя при этом чрезвычайно опасные для человека токсины. Сильнейшим из известных ядов для человека является токсин ботулизма: его смертельная доза составляет менее 0,000001 г.

Рис. 53. Формы прокариотических клеток: А – цепочки кокков (стрептококки); Б – бациллы; В – спириллы

Отравление ботулизмом обычно происходит при употреблении недостаточно хорошо отмытых от почвы продуктов (огурцов, грибов), законсервированных в домашних условиях. Кипячение не убивает споры этого микроорганизма, а его последующее размножение в закупоренных без доступа воздуха сосудах приводит к образованию смертельного для человека токсина. Почти так же опасно отравление столбнячным токсином, возбудитель которого поступает в организм через загрязнённые раны.

По типу питания бактерии подразделяют на сапрофитов и паразитов. Первые – это в основном бактерии гниения. Они выполняют очень важную роль в биосфере, минерализуя органические остатки, т. е. превращая мёртвую органику в минеральные соли. Эти соли впоследствии используются растениями. Огромная роль в биосфере принадлежит также азотфиксирующим бактериям, способным улавливать из атмосферы газообразный азот и превращать его в соединения, которые тоже усваиваются растениями.

Другую группу составляют бактерии, паразитирующие на живых организмах, в частности на человеке. Некоторые из них вырабатывают токсичные вещества и могут вызывать такие опасные болезни, как туберкулёз, дизентерия, брюшной тиф, чума, холера, сибирская язва. В Средние века, когда ещё не существовало эффективных мер для обеззараживания продуктов и предметов быта и не было соответствующего лечения, от чумы или холеры иногда вымирали целые города.

Рис. 54. Деление прокариотической клетки

Прокариоты размножаются путём простого деления (рис. 54). ДНК нуклеоида удваивается, после чего клетка делится пополам в поперечном направлении. В благоприятных условиях бактериальная клетка делится каждые 20 минут. Иногда у бактерий наблюдаются примитивные виды полового процесса, при котором часть ДНК одной клетки переносится в другую клетку. В результате происходит пере комбинация генетического материала, что, в частности, приводит к увеличению устойчивости бактерий к неблагоприятным условиям, например к действию антибиотиков.

Существуют организмы, вообще не имеющие клеточного строения. Их называют вирусами (от лат. «вирус» – яд). Вирус состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), заключённой в белковую оболочку – капсид (рис. 55). Вирусы могут размножаться только внутри других, прокариотических или эукариотических, клеток, поэтому все они являются паразитами бактерий, растений, грибов или животных, включая человека.

Рис. 55. Вирусы: схемы строения и электронные фотографии

Вирусы, паразитирующие на бактериях, называют бактериофагами или просто фагами.

Малые размеры (от 30 до 500 нм) позволяют вирусам проникать через поры фильтров, которые обычно задерживают бактерии. Поэтому они и получили своё название, так как вначале было не ясно, являются возбудители ряда болезней организмами или ядами. Для размножения вирус должен проникнуть внутрь клетки. Иногда он входит в неё целиком – вместе с капсидом, а иногда, действуя подобно шприцу, впрыскивает через мембрану свою нуклеиновую кислоту, которая взаимодействует с генетическим аппаратом поражённой клетки (рис. 56). В результате клетка начинает производить те нуклеиновые кислоты и белки, которые требуются не ей, а вирусу. Образовавшиеся в клетке вирусы разрывают мембрану и начинают заражать соседние клетки. Для того чтобы избежать заражения, клетки способны синтезировать специальное вещество – интерферон.

Вирусы, так же как и бактерии, являются возбудителями многих болезней человека. Вирусными заболеваниями являются грипп, корь, ветряная оспа, краснуха, коклюш и др. Основная трудность лечения вирусных заболеваний заключается в том, что на вирусы не действуют антибиотики. К наиболее опасным вирусным заболеваниям относится натуральная (или, как её называли раньше, чёрная) оспа. От неё, так же как от чумы и холеры, раньше вымирали целые города. Резко снизить, а затем и вовсе уничтожить оспу удалось с помощью вакцинации.

В конце XVIII в. было обнаружено, что у лошадей и коров встречается болезнь, напоминающая человечью оспу, но протекающая в гораздо более лёгкой форме. Доярки часто перебаливали коровьей оспой и после этого не заражались натуральной. Обращал на себя внимание также интересный факт, что в кавалерии заболеваемость оспой была значительно ниже, чем в пехоте. Первые опыты по прививке оспы провёл английский врач Эдвард Дженнер (1749–1823) (рис. 57).

Рис. 57. Э. Дженнер

Прививая пациентам коровью оспу, он обнаружил, что после этого они становятся невосприимчивыми к оспе натуральной. С начала XIX в. прививка оспы стала повсеместной, после чего это заболевание резко пошло на убыль. Последний случай заболевания оспой был зарегистрирован в 1977 г. в Сомали. В настоящее время вирусы оспы существуют только в лабораториях.

В 1983 г. был открыт вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), который вызывает синдром приобретённого иммунодефицита (СПИД). ВИЧ-инфицированные люди в течение долгого времени могут не обнаруживать симптомы болезни. Однако в определённый момент вирус начинает размножаться, заражая в первую очередь клетки, связанные с иммунной системой. Размножаясь в них, он поражает всё новые и новые клетки. В результате иммунитет человека уже не справляется с болезнями, обычно неопасными для людей с нормальной иммунной системой.

Не следует, однако, думать, что вирусы могут приносить человеку только вред. Бактериофаги, уничтожающие болезнетворных бактерий, часто используют в медицине для лечения инфекционных болезней.

1. Что представляет собой генетический аппарат прокариотических клеток?

2. Какую роль выполняют споры у бактерий? Чем споры бактерий отличаются от спор растений?

3. Какие вам известны бактериальные и вирусные заболевания?

4. Используя рисунок 55, опишите строение вируса.

5. Когда и кем были внедрены прививки против натуральной оспы?

6. Используя знания, полученные в курсе «Человек и его здоровье», объясните, чем различаются вакцина и сыворотка.

1. Составьте и заполните в тетради сравнительную таблицу «Строение эукариотической и прокариотической клетки», самостоятельно выделив критерии сравнения.

2. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение на одну из тем: «Вирусы: история открытия», «Инфекционные заболевания: пути заражения и меры профилактики».

3. Создайте портфолио по теме «Роль вирусов в жизни организмов и эволюции органического мира на Земле».