Біологія. 10 клас. Балан

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 36. Роль прокаріотів у природі та житті людини

Пригадайте: що таке біотехнологія? У яких галузях господарства людини застосовують різні види бродіння? Що таке екосистема, біосфера, колообіг речовин? Що таке антибіотики, біологічний метод боротьби зі шкідливими видами?

• Роль прокаріотів у біосфері. Ми вже згадували, що різні види прокаріотів поширені майже скрізь, де на нашій планеті існує життя. Мікроорганізми мешкають у ґрунтах, водоймах, інших живих організмах, їхні спори та цисти виявлені на значній висоті в атмосфері. Так, в 1 г родючого вологого ґрунту або 1 мл води забруднених органікою водойм знайдено мільйони клітин бактерій та ціанобактерій. Прокаріоти здатні постійно існувати в умовах, де інші організми не трапляються (гарячі джерела, нафтоносні пласти на глибинах до кількох кілометрів тощо).

Чи замислювалися ви над тим, що без прокаріотів існування біосфери було б неможливе? Ви вже знаєте, що головною умовою існування біосфери як єдиної екосистеми нашої планети є здійснення колообігу речовин. Пригадайте: колообіг речовин - це обмін хімічними сполуками між живою (організми) та неживою частинами екосистем. І саме без прокаріотів, здатних розкладати органічні речовини до неорганічних, колообіг речовин був би неможливий. Зокрема, це стосується важливих для живих організмів сполук Карбону, Нітрогену, Сульфуру, Фосфору, Феруму. Розкладаючи органічні сполуки, бактерії утворюють велику кількість СО2, необхідного для процесу фотосинтезу.

За участі прокаріотів з різноманітних органічних сполук утворюються речовини (гумусні кислоти тощо) найродючішого (гумусового) шару ґрунту. Ціанобактерії збагачують ґрунт і водойми киснем (О2).

Санітарна роль прокаріотів полягає в тому, що, розкладаючи мертві організми та продукти життєдіяльності, вони звільняють поверхню нашої планети від цих решток. Прокаріоти беруть участь у процесах самоочищення водойм: живлячись органічними речовинами, вони зменшують їхній вміст у воді та мулі.

Завдяки діяльності бактерій-хемосинтетиків, яка триває вже близько 4 мільярдів років, у земній корі утворилися поклади залізних руд, сполук Сульфуру та деяких інших корисних копалин. Наявності запасів основних енергоємних речовин сьогодення - нафти та газоподібних вуглеводнів, зокрема метану, як припускають вчені, ми завдячуємо діяльності певних груп бактерій.

Деякі ґрунтові (вільноживучі та бульбочкові) бактерії-азотфіксатори здатні засвоювати з повітря атмосферний азот і включати його до складу різних синтезованих ними органічних сполук, насамперед білків. Через кореневі волоски проростка бульбочкові бактерії потрапляють у тканини кореня і, виділяючи особливі сполуки, спричиняють їхнє розростання у вигляді бульбочок (мал. 36.1). Ці бактерії постачають рослині сполуки Нітрогену, отримуючи натомість органічні сполуки, переважно цукри.

В особливому відділі шлунка (рубці) жуйних парнокопитних (корів, овець, кіз) бактерії розщеплюють целюлозу до цукрів, бо самі тварини не виробляють необхідних ферментів.

Ціанобактерії в симбіозі з грибами утворюють лишайники. Вони синтезують органічні речовини, які споживає гриб, а той постачає клітинам ціанобактерій воду і мінеральні сполуки, а також створює умови для фотосинтезу.

Мал. 36.1. Бульбочки на коренях бобової рослини

На дні глибоководних океанічних западин часто з товщі земної кори у воду виділяються отруйні гази - сірководень і метан. Однак їх одразу поглинають придонні червоподібні тварини з науковою назвою вестиментифери, що не мають органів травлення (мал. 36.2). У тілі тварини є особливий орган, заповнений хемотрофними бактеріями, які окиснюють ці сполуки. Кров постійно приносить бактеріям кисень, сірководень чи метан, а від прокаріотів до неї надходять синтезовані органічні речовини, потрібні для побудови та живлення тканин тварини. Вестиментиферами живляться глибоководні ракоподібні, риби та інші тварини. Так на дні морів існують своєрідні екосистеми, роль продуцентів у яких відіграє мутуалістичний комплекс хемосинтезуюча бактерія - гетеротрофна тварина.

Мал. 36.2. Безхребетні глибоководні тварини вестиментифери

• Роль прокаріотів у житті та господарстві людини. У кишечнику людини завжди присутні певні види бактерій (кишкова паличка та ін.), які сприяють травленню, синтезують деякі вітаміни (В6, В12, К), запобігають розмноженню хвороботворних мікроорганізмів.

Ми вже згадували, що прокаріотів, здатних спричиняти різні типи бродіння, людина з давнини використовує у своєму господарстві для отримання різних необхідних речовин: молочних продуктів (масла, сирів, йогуртів та ін.), органічних кислот, квашених овочів, силосованих кормів тощо. Прокаріоти є звичними об’єктами біотехнології.

Біотехнологія (від грец. біос - життя, технікос - майстерний, вправний та логос - наука, вчення) - галузь, яка розробляє методи використання живих організмів або біологічних процесів у промисловості, сільському господарстві та інших галузях господарства. Біотехнологи провадять селекцію різноманітних організмів, зокрема отримують нові штами вірусів та прокаріотів.

Штам (від. нім. штамм - стовбур, сім’я, плем’я) - штучна популяція (культура) вірусів або мікроорганізмів, зазвичай отриманих унаслідок розмноження окремих клітин, виділених з певного джерела або отриманих унаслідок штучних мутацій.

Один з важливих напрямів біотехнології - фармакологічна промисловість, мета якої - створення і виробництво лікарських препаратів. Зокрема, різні види бактерій поряд з мікроскопічними грибами використовують для отримання антибіотиків, вітамінів, гормонів, ферментів тощо. Сучасні методики дають змогу переносити в клітини бактерій гени еукаріотів, які відповідають за синтез певних сполук. Так, у спадковий матеріал бактерій були введені гени, які кодують вироблення інсуліну, гормони росту, захисні білки-інтерферони тощо.

Біотехнологічні процеси застосовують для очищення навколишнього середовища, зокрема ґрунтів, водойм, стічних вод від побутових і промислових забруднень. Методи біологічного очищення базуються на здатності сапротрофних бактерій розкладати органічні сполуки. Унаслідок селекційної роботи виведено штами мікроорганізмів, здатних розкладати відходи промислового виробництва. Деякі види бактерій здатні вибірково поглинати з довкілля ті чи інші цінні для господарства речовини і накопичувати їх у своїх клітинах. Особливі біотехнології дають змогу вилучати та очищувати ці сполуки.

Уміле застосування препаратів спор штамів певних мікроорганізмів (біопрепарати) дає можливість без шкоди довкіллю знижувати чисельність шкідливих видів, тварин і рослин.

• Багато прокаріотів завдають шкоди здоров’ю та господарству людини. Так, масове розмноження ціанобактерій у неглибоких прісних водоймах, що добре прогріваються, зокрема водосховищах, водоймах-охолоджувачах теплових та атомних електростанцій, ставках тощо, спричиняє «цвітіння» води, яка стає непрозорою (мал. 36.3). Ціанобактерії виділяють у воду отруйні речовини, які можуть спричиняти масову загибель мешканців водойм. Така вода непридатна для пиття, а купання в ній може призвести до отруєння або алергічних реакцій.

Серед бактерій є багато паразитичних видів, які, оселяючись в організмах людини, тварин і рослин, спричиняють різноманітні, часто смертельно небезпечні захворювання. Хвороботворні бактерії швидко розмножуються, при цьому продукти їхньої життєдіяльності отруюють хазяїна, що призводить до різних порушень в організмі та навіть смерті. На органах рослин, уражених бактеріями, можуть виникати плями, пухлини тощо, вони можуть загнивати та відмирати.

Найвідоміші бактеріальні захворювання людини - ангіна, дизентерія, дифтерія, туберкульоз, холера, тиф, скарлатина та багато інших, тварин - сибірка, бруцельоз тощо. Бактеріальні захворювання лікують за допомогою антибіотиків або лікувальних сироваток.

Для здоров’я та життя людини і тварин становлять небезпеку бактерії-лептоспіри, які часто трапляються у стоячих водоймах. Потрапляння лептоспіри в організм людини та тварин призводить до гострої пропасниці і навіть смерті. Тому у водоймах, у яких виявлено лептоспіру, купатися заборонено, а воду з них не слід вживати ні для яких господарчих потреб.

До організму хазяїна мікроорганізми проникають такими шляхами:

- через шлунково-кишковий тракт разом з їжею чи питвом - бактерії - збудники сальмонельозу (черевного тифу), дизентерії, холери, чуми;

- через дихальні шляхи з повітрям - збудники туберкульозу, ангіни, пневмонії, дифтерії, чуми;

- через пошкодження покривів - бактерії, що паразитують у шкірі, нігтях тощо;

Мал. 36.3. «Цвітіння» води, спричинене ціанобактеріями. Це явище небезпечне для інших мешканців водойм, а також для здоров’я людини

- під час статевих контактів - збудники сифілісу, гонореї, хламідіозу та інших венеричних захворювань;

- за допомогою комах і кліщів-переносників. Так, збудника чуми переносять пацюкові блохи, а висипного тифу - людські воші. Хатні мухи на поверхні тіла та в кишечнику переносять збудників дизентерії, сальмонельозу, туберкульозу зі смітників та інших подібних місць у людські оселі, на продукти харчування тощо.

Певні види бактерій псують продукти харчування, роблячи їх непридатними до вжитку та отруйними. Так, бактерія ботулізму може розвиватись у різноманітних консервованих продуктах, рибі, ковбасах, істотно не змінюючи їхній зовнішній вигляд та смакові якості. Спори не гинуть навіть при кип’ятінні впродовж 5 годин та можуть зберігати життєздатність у ґрунтах чи водоймах багато років. Її токсин викликає важке отруєння (ботулізм); він насамперед діє на нервову систему та м’язи, спричиняє втрату голосу, запаморочення, порушує зір, процеси травлення та дихання. Якщо хворій людині своєчасно не ввести особливу сироватку та препарати - антидоти (від грец. антидотон - те, що діють проти чогось), які знешкоджують отруйні речовини, може настати смерть. Тому під час консервування продуктів слід суворо дотримувати технологій пастеризації чи стерилізації.

Стерилізація (від лат. стеріліс - безплідний) - процес повного знищення мікроорганізмів та їхніх спор. Поширеним методом стерилізації є дія високих температур (+100 °С і вище). Для стерилізації також застосовують ультрафіолетові промені, ультразвук, хімічні сполуки тощо.

Пастеризація полягає в тому, що для тривалого зберігання різноманітних продуктів (молочнокислих, пива, соків тощо) їх піддають тепловій обробці за температури +60...70 °С протягом півгодини, а потім швидко охолоджують. Цей процес повторюють протягом 3 діб. У результаті спори мікроорганізмів, які могли утворитися під час попередньої обробки, гинуть при наступній. Цю технологію запропонував видатний французький мікробіолог Луї Пастер (1822-1895), тому вона отримала його ім’я.

Небезпечне захворювання органів травлення людини та тварин (черевний тиф, або сальмонельоз) спричиняють бактерії сальмонели. Їхні спори тривалий час можуть зберігатись у зовнішньому середовищі та харчових продуктах.

• Профілактика інфекційних захворювань. Аби запобігти поширенню хвороботворних бактерій, хворих людей і тварин необхідно ізолювати від здорових до повного одужання та очищення організму від збудників. Ці заходи мають назву карантин. Інші заходи попередження розповсюдження хвороботворних бактерій - це профілактичні щеплення. Їх здійснюють для запобігання захворюванням на дифтерію, правець та ін. Хворих людей і тварин лікують за допомогою антибактеріальних препаратів, зокрема лікувальних сироваток.

Профілактика - засоби, спрямовані на попередження захворювань та збереження здоров’я. Зокрема, до них належить організація боротьби з комахами та кліщами - переносниками збудників захворювань.

Ключові терміни та поняття. Штам, стерилізація, пастеризація, карантин, профілактика.

Коротко про головне

  • У біосфері сапротрофні бактерії розкладають рештки та продукти життєдіяльності організмів до неорганічних та органічних сполук. Тим самим вони забезпечують колообіг речовин у природі, зокрема підтримання родючості ґрунтів, у тому числі існування гумусового шару. Прокаріоти беруть участь у процесах самоочищення водойм: живлячись органічними речовинами, вони зменшують їхній вміст у воді та мулі. Азотфіксуючі бактерії збагачують ґрунти сполуками Нітрогену, а ціанобактерії - одні з основних фотосинтетиків - постачальників кисню у водоймах.
  • Завдяки діяльності бактерій утворилися поклади корисних копалин: залізних руд, нафти тощо.
  • Прокаріотів, здатних спричиняти різні типи бродіння, використовують для отримання молочних продуктів, органічних кислот, квашених овочів, силосованих кормів тощо. Прокаріоти є звичними об’єктами досліджень у галузі біотехнології - науки, яка розробляє методи використання живих організмів або біологічних процесів у промисловості, сільському господарстві, зокрема для очищення навколишнього середовища від побутових і промислових забруднень та у біологічному методі боротьби зі шкідливими для людини організмами.
  • Багато прокаріотів завдають шкоди здоров’ю та господарству людини. Так, «цвітіння» водойм, спричинене певними видами ціанобактерій, робить воду непридатною для пиття та побутових потреб, а токсини цих прокаріотів викликають масову загибель організмів водних екосистем.
  • Серед бактерій є багато паразитичних видів, здатних спричиняти небезпечні захворювання людини, свійських тварин чи культурних рослин. Сапрофітні бактерії вражають продукти харчування, виробляючи небезпечні токсичні сполуки.

Запитання для самоконтролю

1. З якою метою людина використовує прокаріотів у господарстві? 2. Чому біологічний метод боротьби зі шкідниками має перевагу перед застосуванням отрутохімікатів? 3. Що таке біотехнологія? 4. Яку роль мікроорганізми відіграють у забезпеченні родючості ґрунтів? 5. У чому полягає значення ґрунтових прокаріотів, здатних фіксувати атмосферний азот? 6. Що таке «цвітіння» води та яке його значення? 7. Які захворювання людини та свійських тварин спричиняють бактерії?

Поміркуйте

Яка роль прокаріотів в утворенні гірських порід та підтриманні постійності газового складу атмосфери?