Сколько в мире бактерий
По оценкам ученых факультета энергии объединенного института геномов на планете Земля существует 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 бактерий. Все они имеют примитивное строение: состоят из одно- или двухъядерной клетки и обладают приблизительно одинаковыми размерами – несколько микрометров.
Директор факультета Эдди Рубин в своей исследовательской работе акцентирует внимание на том, что микробы участвуют практически в любом биологическом процессе планеты: разложении органических остатков до неорганических веществ, в почвообразовании, в подпитке растений…
Всех представителей мира бактерий ученый постарался систематизировать и занести в каталог, чтобы облегчить в дальнейшем поиск функций геномов и тем самым дать толчок к пониманию людьми процессов, происходящих в биосфере.
Несколько лет назад для многих стал открытием тот интересный факт, что бактерии появились одними из первых на планете Земля свыше 3,8 трлн. лет назад. Американские ученые даже провели эксперимент, задействовав штаммы бактерий из образцов древнего льда Антарктиды, возраст которых исчисляется 8,1 млн. лет. Оттаявшие с кусками льда при комнатной температуре колонии микроорганизмов проснулись, начали расти и размножаться. Исследования подтвердили гипотезу, что за 1,1 млн. лет ни один из обнаруженных и классифицированных видов не трансформировался.
Согласно одной из гипотез именно бактерии сыграли ключевую роль в появлении многоклеточных живых организмов, а спустя десятки миллионов лет и в привычных нам животных. Именно они определи существование жизни во всем многообразии форм.
Подтверждением этому является тот факт, что 37% генов животных и людей схожи с генами бактерий. Велика вероятность, что они имеют общего предка.
Значение бактерий для жизни на Земле в наши дни трудно переоценить. Они играют основополагающую роль в циклических метаморфозах основных элементов, необходимых для поддержания жизни. Например: участвуют в производстве кислорода и азота, формировании серы, фосфора и углерода. До недавнего времени считалось, что микробиологи, разрабатывающие антибиотики не без помощи все тех же бактерий, ничего нового предложить уже не могут. Но последние исследования показывают, что на самом деле число неизвестных микроорганизмов несравненно больше. Этот факт открывает неограниченные возможности для разработки и внедрения новых эффективных препаратов.
Как объясняли возникновение инфекционных заболеваний в древности
На протяжении многих столетий человечество не только не имело защиты от инфекционных заболеваний, а и не признавало их как заболевание вообще. Считалось, что они являются «карой божьей за грехи». Единственным плюсом было то, что таких больных старались изолировать. Врачами того времени было подмечено, что изоляция тем самым препятствует распространению болезни. Это дало возможность рассматривать распространение инфекции как заболевание. Так итальянский лекарь Джироламо Фракасторо первым предположил, что заболевание переходит от больного к здоровому через предметы и может передаваться на расстоянии. Он даже выдвинул гипотезу, что существуют маленькие организмы, способные передвигаться по воздуху, попадая в определенную среду, они начинают там размножаться. Таким образом, они являются разносчиками инфекции. Но только с изобретением первого микроскопа научно было доказано, что бактерии действительно существуют.
Спонтанное зарождение
Какова вероятность, что случайные атомы сложатся в нуклеотиды, а те – в ДНК? Практически нулевая. Но всё же это произошло в результате бесконечного количества спонтанных экспериментов, столкновений частиц и т.д., гласит другая гипотеза.
Возможно, ДНК и РНК, которые хранят генетический код живых организмов, стали просто самым успешным из таких экспериментов. Изначально существовали и другие, более простые формы, но организмы-носители ДНК и РНК вытеснили их.
Эксперименты продолжались. При копировании ДНК и РНК возникали ошибки – мутации. Если они ухудшали результат, виды-носители таких мутаций были обречены на вымирание. Если же мутации были благоприятными, естественный отбор оставлял их на планете.
Отголоски в современности
Сегодня сложно делать категорические заявления о том, какими были те первые прокариоты много лет назад, поскольку нет полных данных об условиях, в которых жили эти первые микроорганизмы.
Но поиски следов зарождения органической жизни продолжаются, и иногда ученые получают возможность приоткрыть завесу тайны.
Так, интересные сведения были получены при изучении колонии архей (безъядерные микроорганизмы) Ферроплазма (Ferroplasma acidiphilum), обнаруженных в реакторе одного из металлургических заводов Тульской области.
При детальном изучении ферроплазмы были зафиксированы такие свойства, которые позволили бы микроорганизму с подобными характеристиками жить в условиях первичной атмосферы, предположительно существовавшей четыре миллиарда лет назад:
- у ферроплазмы нет жесткой клеточной стенки;
- живет в воде с очень высокой кислотностью, которая в обычных земных условиях практически не встречается;
- автотроф, синтезирующий органику из углекислого газа (одного из главных компонентов первичной атмосферы), при этом для синтеза используется не энергия солнца, а энергия окисления железа, которым были переполнены воды первичного океана;
- ферроплазма синтезирует белки, которые отличаются от известных науке белковых молекул очень высоким уровнем содержания металлов (самых первых и самых древних катализаторов), эти белки даже получили специальное название – металлопротеины.
Изобретение первого микроскопа
Первый увеличительный прибор, благодаря которому были обнаружены бактерии, изобрел голландский натуралист-самоучка Антони ван Левенгук. Именно он был тем, кто описал и открыл бактерии. Все началось с его увлечения экспериментировать с увеличительными стеклами. До него изготовленные линзы были способны увеличивать предмет лишь в 20 раз. Его же «микроскопы» могли увеличивать изучаемый предмет в 200-300 раз. Первые увеличительные приборы были размером с горошину и вставлялись в оправу. Пользоваться ими было довольно сложно, но несмотря на это, увеличение было для того времени достаточно четким и точным.
Антони ван Левенгук всю свою жизнь занимался усовершенствованием своих увеличительных приборов. После смерти 26 микроскопов он завещал Лондонской академии наук.
Бактерии и человек
Количество бактерий в любом живом организме всегда в разы превышает число клеток. Человеческий организм не является исключением.
Интересен и тот факт, что 2 кг человеческого веса приходится на обитающие как на нем, так и внутри него бактерии. Так на каждую клетку организма человека приходится не менее десятка бактериальных клеток.
Для наглядности приведем результаты исследований, показывающие, что только в ротовой полости обитает свыше 40 тыс. разного рода бацилл. Поэтому в момент поцелуя вместе со слюной человек «делится» более тремя сотнями бактерий. Но опасность среди них в виде тех же инфекций представляют только 5% бацилл.
Первые бактерии попадают на тело человека в момент его появления на свет, когда малыш естественным путем проходит родовые пути, а также при первом контакте с кожей матери. С грудным молоком они попадают в ЖКТ младенца, становясь частью микрофлоры кишечника. Основной набор чужеродных микроорганизмов, с которым придется «в тесном соседстве идти по жизни», приобретается ребенком уже к трем годам.
Запасливые уранофилы
Возможно, самая ранняя жизнь не имела того состава, который имеет нынешняя, где в качестве базовых элементов преобладают углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Дело в том, что жизнь предпочитает более легкие элементы, с которыми проще «играть». Но эти легкие элементы имеют маленький ионный радиус и создают слишком прочные соединения. А жизни этого-то и не надо. Ей надо уметь эти соединения легко расщеплять. Сейчас у нас для этого есть множество ферментов, но на заре жизни их еще не существовало. Несколько лет назад мы высказали предположение, что у некоторых из этих шести основных элементов живого (макроэлементы C, H, N, O, P, S) были более тяжелые, но и более «удобные» предшественники. Вместо серы в качестве одного из макроэлементов, скорее всего, работал селен, который легко соединяется и легко диссоциирует. Место фосфора по той же причине, возможно, занимал мышьяк. Недавнее открытие бактерий, которые используют мышьяк вместо фосфора в своих ДНК и РНК, усиливает наши позиции. Причем все это справедливо не только для неметаллов, но и для металлов. Вместе с железом и никелем в процессе становления жизни значительную роль играл вольфрам. Корни жизни, таким образом, надо, вероятно, уводить в низ таблицы Менделеева.
Для подтверждения или опровержения гипотез об изначальном составе биологических молекул нам стоит обратить пристальное внимание на бактерий, живущих в необычных средах, возможно отдаленно напоминающих Землю в древние времена. Например, недавно японские ученые исследовали один из видов бактерий, обитающих в горячих источниках, и обнаружили в их слизистых оболочках урановые минералы
Для чего бактерии их накапливают? Возможно, уран имеет для них какую-то метаболическую ценность? Например, используется ионизирующий эффект радиации. Есть другой известный пример — магнитобактерии, которые существуют в аэробных условиях, в относительно холодной воде, и накапливают железо в виде кристалликов магнетита, обернутых в белковую мембрану. Когда железа в окружающей среде много — они формируют эту цепочку, когда железа нет — они его тратят и «сумочки» становятся пустыми. Это очень похоже на то, как у позвоночных накапливается жир в качестве энергетического запаса.
На глубине 2−3 км, в плотных осадках, оказывается, тоже живут бактерии и вполне обходятся без кислорода и солнечного света. Такие организмы обнаружены, например, в урановых шахтах Южной Африки. Питаются они водородом, и здесь его достаточно, потому что уровень радиации настолько высок, что вода диссоциируется на кислород и водород. Генетических аналогов на поверхности Земли у этих организмов не обнаружено. Где же эти бактерии сформировались? Где их предки? Поиск ответов на эти вопросы становится для нас настоящим путешествием во времени — к истокам живого на Земле.
Автор — академик РАН, директор Геологического института РАН
Статья «Тяжелый металл биогенеза» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№3, Март 2011).
Изучение древнейших бактерий
Процесс изучения бактерий активно идет, счет исследованиям практически не ведется, и каждое новое открытие становится сенсацией для всего мира. Одним из ярчайших событий стало обнаружение серных анаэробных бактерий, существовавших 3,4 млрд лет назад в Австралии. Находка вызвала массу споров и обсуждений: в ход шли даже теории о неземном происхождении микроорганизмов.
Существуют и другие виды существ, способных просуществовать крайне долго. Хорошим примером являются отдельные группы цианобактерий, возраст которых нередко достигает 2 млрд лет. Подобные бактерии являются одной из персистентных форм жизни – существ, способных эволюционировать без существенных изменений своих организмов.
Археологам удается находить массу уникальных останков микроорганизмов, так или иначе участвовавших в процессе эволюции. В число древнейших организмов попали ископаемые водоросли и микробы, найденные в горных породах Южной Африки: там были найдены останки простейших бактерий и сине-зеленых водорослей, существовавших по меньшей мере 3,2 млрд лет назад. Это открытие было невероятно важным для ученого сообщества, поскольку данные микроорганизмы были морскими, что говорит о том, что водное пространство уже тогда было домом для микробов, впоследствии трансформировавшихся в водоросли, растения и живых существ.
Еще одним немаловажным этапом в изучении древнейших бактерий стало изучение групп микроорганизмов, обнаруженных при раскопках в Онтарио. Исследование остатков показало, что эти микроорганизмы существовали уже два миллиарда лет назад. Данные бактерии тоже относились к числу наиболее примитивных микроорганизмов и уже занесены в соответствующий раздел систематики.
Немалый интерес для истории представляют и не столь древние существа. Так, в центральной части Австралии были найдены останки микроорганизмов, входящих в состав многоклеточных водорослей и других растений. Возраст этих бактерий находится в пределах одного миллиарда лет. Обнаружение подобных единиц микроорганизмов стало очень важным: опираясь на их исследования, ученые могут восстанавливать хронологию эволюции прошлого и дополнять систематику.
Древнейшие бактерии существовали не только в одноклеточном виде, но и входили в состав более сложных организмов, например, зеленых водорослей, способных размножаться половым путем. Каждое открытие такого масштаба предоставляет все новые возможности в изучении живых существ, поскольку возникает разнообразие форм организмов, обитавших в природе: любая новая единица всегда добавляет очередной штрих в генетическое разнообразие живых существ.
Окончательный переход к дифференциации многоклеточных существ произошел около 600 млн лет назад. Ученые считают, что причиной развития стало возникновение разных форм размножения и появление первых животных, в результате чего природа стала эволюционировать намного быстрее.
Внешность обманчива
Запах притрушенной каплями дождя земли для многих людей считается приятным. Но мало кто знает тот факт, что он возникает благодаря активизирующимися в этот период колониями почвенных бактерий рода стрептомициновых: актино- и цианобактерий. Запах, который мы чувствуем, производит геосмин – вещество органического происхождения. В переводе с греческого его название и обозначает «запах земли». Геосмин обуславливает также появление затхлого запаха в подвалах и погребах, поскольку преобразующих его бактерий способствует сырость.
Кровавый водопад – завораживающее зрелище, которое с периодичностью раз в несколько недель можно наблюдать в Восточной Антарктиде. Из небольшой трещины в леднике толщиной свыше 400 метров выходит напоминающая кровь жидкость. Причиной такого цвета является высокая концентрация железа в соленой воде.
При взаимодействии с кислородом двухвалентное железо и превращается в ржавчину. Соединение формируется благодаря жизнедеятельности бактерий. Не имея доступа к солнечному свету и потому потребляя в качестве источника энергии железо из окружающих пород, микроорганизмы используют его для дыхания. Обнаруженная экосистема дает повод строить гипотезы, что подобным образом может сохраняться жизнь и на других планетах, таких как Марс или Европа – спутник Юпитера.
Рекордсмены номинаций
В мире бактерий также есть свои рекордсмены. Самая большая бактерия носит название «Thiomargarita namibiensis», что в переводе с латинского звучит как «серная жемчужина Намибии». Размер шарообразной по форме протеобактерии в диаметре достигает от 0,1 до 0,3 мм. По сути, она видна невооруженным взглядом.
Свое название крупнейшая морская бактерия получила за то, что ее клетки содержат микроскопические гранулы серы. Под действием преломления света возникает эффект подобно сиянию жемчужины.
Многие бактерии являются возбудителями смертельных болезней. Но существуют «агрессоры», унесшие жизни миллионов людей. К числу самых опасных бактерий стоит отнести следующие:
- Сальмонелла – вызывает развитие брюшного тифа, ежегодно уносит жизни 261 тыс. людей;
- Столбнячная палочка – возбудитель столбняка, каждый год его жертвами становятся 58 тыс. взрослых и детей
- Палочки Коха – возбудители туберкулеза, число хронически больных палочками туберкулеза людей исчисляется 13,7 млн.
Самыми древними архибактериями являются представительницы вида thermoacidophiles. Главная особенность этого интересного вида бактерий в том, что он способен выживать в условиях высокой кислотности, средах с неимоверной концентрацией серы, а также при температурах порядка 70-80°С.
Эти удивительные микроорганизмы, сочетающие в себе признаки ацидо- и термофилов, в большинстве своем обитают в горячих источниках и тех местах, где основная масса живых организмов просто погибает. Такая высокая приспосабливаемость развилась за счет плазматической мембраны, содержащей высокие концентрации насыщенных жиров, и присутствия ферментов, которые не денатурируют в экстремальных условиях.
Газы, вода и ток
Стэнли Миллер и Гарольд Юри в 1953 году провели интересный эксперимент. Они заполнили пробирки смесью метана, монооксида углерода, углерода и аммиака, а также добавили туда воды. Этот «первичный бульон» имитировал атмосферу Земли 4 млрд лет назад.
Затем через пробирки пропустили электрический ток. Он имитировал удары молнии.
В процессе взаимодействия химических веществ ученые получили пять основных аминокислот. Из этих блоков созданы все белки на планете.
В 2008 году другие исследователи проанализировали выводы Миллера и Юри и установили, что ученые полвека назад получили не пять аминокислот, а 22. Просто не все аминокислоты тогда удалось идентифицировать.
Большинство специалистов, проанализировав новую информацию, решили, что в результате удачной комбинации этих аминокислот появились РНК, ДНК и белки. Они стали новой ступенью формирования жизни.
Но часть ученых считает иначе. Так, Ричард Вульфенден и Чарльз Картер из Университета Северной Каролины заявили, что из 22 аминокислот были сначала созданы белковые ферменты. Они стали базой для РНК. А РНК, как универсальная молекула с возможностью самокопирования, обеспечила появление всего живого на планете.
Вульфенден доказал, что аминокислоты могли самостоятельно обеспечивать появление белков-ферментов, которые ускоряют химические реакции в организме. Картер установил, что белки могут распознавать транспортные рибонуклеиновые кислоты, чтобы обеспечивать их соответствие участкам генетического кода. В результате белки позволяют правильно передавать информацию из поколения в поколение.
