Прокариоты: бактерии, археи, клеточные стенки и способы питания
Прокариотическая клетка не является «недоделанной» эукариотической. У неё есть мембрана, цитоплазма, ДНК и рибосомы, а отсутствие оформленного ядра сочетается с огромным разнообразием оболочек, энергетических путей и экологических ролей.
Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс
Строение и функции клетки
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Прокариотическая и эукариотическая клетки
- Нуклеоид, рибосомы и плазмиды
- Клеточная стенка бактерий
- Клеточная стенка архей
- Грам-положительные и грам-отрицательные бактерии
- Гетеротрофные прокариоты
- Фото- и хемоавтотрофные прокариоты
- Размножение делением
- Роль прокариот в сообществах и круговоротах
- Безопасное наблюдение готовых препаратов
Как это устроено
Прокариоты — бактерии и археи; отсутствие ядра не означает отсутствия генома или белкового синтеза. Их ДНК расположена в нуклеоиде, а рибосомы синтезируют белки. Некоторые клетки несут плазмиды, капсулы, жгутики или поверхностные придатки, но не нужно ставить все эти части на рисунке каждой бактерии. Эукариоты имеют мембранное ядро и внутренние мембранные компартменты; это различие не является шкалой «лучше — хуже».
Оболочки бактерий и архей различаются химически. У многих бактерий стенка содержит пептидогликан; у архей типичного бактериального пептидогликана нет, а стенка может состоять из других молекул. Внутри бактерий различают архитектуры оболочки, которые часто описывают через грам-окрашивание. Это полезный первый признак, но граница не абсолютна для всех видов и не заменяет молекулярной идентификации. Плазматическая мембрана лежит под стенкой и регулирует обмен с внешней средой.
Питание прокариот очень разнообразно. Гетеротрофные формы получают углерод из готовых органических соединений, фотоавтотрофы используют свет и CO₂, хемоавтотрофы — энергию окисления некоторых неорганических веществ и неорганический углерод. Источник энергии и источник углерода — две независимые оси классификации; слово «автотроф» не означает автоматически «светолюбивый». Для конкретного вида путь питания устанавливают опытами, а не только по форме клетки на микрофотографии.
Прокариоты участвуют в разложении органических веществ, превращениях азота, симбиозах и пищевых цепях. Среди них есть возбудители болезней, но большинство микроорганизмов в природе нельзя объявлять патогенами по одному факту их существования. Деление клетки создаёт потомство, а горизонтальный перенос генов может распространять варианты независимо от такого деления. При учебной работе безопаснее использовать готовые фиксированные препараты и изображения; самостоятельное выращивание неизвестных микроорганизмов из окружающей среды несёт неоправданный риск.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Прокариотическая клетка
Клетка без ограниченного мембраной ядра, у которой наследственный материал расположен в цитоплазматической области и есть собственные рибосомы.
Пример: Бактерия и архея — прокариоты, хотя между их молекулярным устройством существуют важные различия.
- Бактерии
Одна из крупных эволюционных линий клеточных организмов, отличающаяся от архей и эукариот по ряду генетических и биохимических признаков.
Пример: Цианобактерии используют свет для фотосинтеза с выделением кислорода.
- Археи
Отдельная эволюционная линия прокариот, чьи мембраны, стенки и часть молекулярных систем отличаются от бактериальных.
Пример: Некоторые археи образуют метан в бескислородных условиях, но археи обитают не только в экстремальной среде.
- Нуклеоид
Область прокариотической клетки, где сосредоточена основная хромосомная ДНК без окружающей её ядерной мембраны.
Пример: На схеме бактериальной клетки нуклеоид изображают внутри цитоплазмы, а не в отдельном ядре.
- Плазмида
Дополнительная обычно небольшая молекула ДНК, способная реплицироваться в клетке и содержать различные гены.
Пример: Некоторые плазмиды несут варианты генов устойчивости к антибиотикам, но не каждая бактерия имеет такую плазмиду.
- Пептидогликан
Сетчатый полимер из сахарных цепей и соединяющих их коротких пептидов, составляющий важную часть стенок многих бактерий.
Пример: У архей стенка не состоит из типичного бактериального пептидогликана.
- Клеточная стенка
Прочная наружная структура некоторых клеток, которая помогает сохранять форму и противостоять осмотическому давлению.
Пример: У многих бактерий стенка содержит пептидогликан; отсутствие стенки у отдельных бактерий не делает их эукариотами.
- Грам-окрашивание
Лабораторное различение групп бактерий по особенностям удержания красителей, связанным с архитектурой клеточной оболочки.
Пример: Окраска помогает предварительно описать тип оболочки, но не заменяет точного определения вида.
- Гетеротроф
Организм, получающий углерод для синтеза собственных органических веществ из уже существующих органических соединений.
Пример: Многие бактерии почвы разлагают органические остатки и возвращают элементы в круговорот.
- Фотоавтотроф
Организм, использующий свет как источник энергии и неорганический углерод для синтеза органических соединений.
Пример: Цианобактерия фиксирует CO₂, используя энергию света, но строение её фотосинтетических структур не тождественно хлоропласту.
- Хемоавтотроф
Организм, получающий энергию из окисления неорганических веществ и использующий неорганический источник углерода.
Пример: Некоторые нитрифицирующие микроорганизмы получают энергию из превращений азотных соединений.
- Бинарное деление
Способ размножения многих прокариот, при котором клетка реплицирует генетический материал и разделяется на две дочерние клетки.
Пример: Бактериальное деление не является митозом с типичным веретеном эукариотической клетки.
- Биоценоз
Сообщество популяций разных видов, взаимодействующих между собой в определённой среде и периоде наблюдения.
Пример: Почвенные прокариоты взаимодействуют с растениями, грибами и животными через пищевые и химические связи.
Пример по шагам
У клетки нет ядра, есть рибосомы и мембрана; стенка не содержит пептидогликан. Можно ли назвать её вирусом или точно археей?
- Наличие собственной клеточной мембраны и рибосом указывает на клетку, а не на обычную вирусную частицу.
- Отсутствие пептидогликана совместимо с археей, но встречаются бактерии без типичной стенки.
- Для различения нужны дополнительные молекулярные и биохимические признаки.
Вывод: Признаки поддерживают гипотезу о прокариоте, но одного свойства стенки недостаточно для точной классификации.
Практическая работа
Сравнение готовых микрофотографий и экологических данных
- На подписанных готовых изображениях найдите мембрану, область ДНК и рибосомы там, где масштаб это позволяет.
- Отдельно составьте таблицу для бактерий и архей по стенке, источникам энергии и примерам экологических ролей.
- Пометьте признаки, которые невозможно определить по одной фотографии, и предложите необходимые данные.
Что можно заключить: Морфология помогает описать клетку, но метаболизм и эволюционную принадлежность нельзя достоверно вывести только из силуэта.
Безопасность: Используйте готовые фиксированные препараты или изображения; не культивируйте неизвестные микроорганизмы и не вскрывайте закрытые культуры.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.