Самая большая бактерия в мире. Бактерии Самые крупные бактерии по размеру не превышают

Карлики и гиганты среди бактерий

Бактерии – мельчайшие живые организмы, являющиеся самой распространенной формой жизни на Земле. Обычные бактерии примерно в 10 раз мельче человеческой клетки . Их размер составляет порядка 0,5 микрон, а разглядеть их можно только при помощи микроскопа. Однако, в мире бактерий, оказывается, тоже есть свои карлики и гиганты. Одной из таких гигантов считается бактерия Epulopiscium fishelsoni, размеры которой достигают половины миллиметра! То есть, она достигает по величине размеров песчинки или крупинки соли и ее можно разглядеть невооруженным взглядом.

С помощью жемчуга серы природа придумала удивительное решение проблемы критического размера: бактерии полые. Внутри есть огромный контейнер, в 50 раз больший, чем цитоплазма, живая часть клетки. Как кожура апельсина, целлюлоза окружает живую часть полости.

Бактерии поселились в мире различными фантастическими способами. Из всех существ часто забытые одноклеточные являются самыми успешными - и все же часто используются людьми, чтобы переоценить себя как венец эволюции. Бактерии живут в почечных камнях людей и в кишечнике червей, в воздухе, в кипящих гейзерах и во льдах Антарктики. Некоторые приносят страдания, такие как чума, холера или туберкулез по всему миру, другие помогают растениям расти или люди переваривают, другие питаются маслом, моря загрязнены, некоторые даже устойчивы к сильной радиоактивности.

Размножение Epulopiscium

В Корнуэлльской академии были проведены исследования, направленные на определение причин таких крупных размеров . Как оказалось, бактерия хранит в себе 85 000 копий ДНК. Для сравнения, в клетках человека содержится только 3 копии. Это милое создание проживает в пищеварительном тракте тропической рифовой рыбы Acanthurus nigrofuscus (рыбы-хирурга).

Сернистая жемчужина играет важную роль в естественном цикле материи Намибии, и эта роль формально заставляла ее гигантизм. Он питается соединениями серы, обильными в осадке осадка, который является их домом. Для того, чтобы переварить сера, бактерии, подобно метаболизму животных, зависят от кислорода - срочно нужны нитраты. Но этого не существует в враждебном соусе, в котором живет Тиомаргарита намибиенсис.

Эта дилемма не сломала простейшего, но сделала его гигантом: каждые несколько месяцев, когда шторм бьет по морю, богатая нитратами вода также ненадолго проникает в бактерии в глубины. Серная жемчужина теперь может хранить в своей полости драгоценный нитрат, который он в изобилии пользуется в течение короткого времени; она управляет запасами, подобно дайверу, который берет с собой сжатый воздух в глубины.

Обычные виды бактерий очень малы и примитивны, у них нет органов и питание происходит через оболочку. Питательные вещества равномерно распределяются по телу бактерий, поэтому они должны быть небольшие. В отличие от них, Epulopiscium многократно копирует свою ДНК, равномерно, вдоль оболочки распределяет копии, и они в достаточном объеме получают питание. Такое строение дает ей возможность мгновенного реагирования на внешние раздражители . Непохож на остальные бактерии и способ ее деления. Если обычные бактерии просто делятся пополам, то она выращивает внутри себя две клетки, которые после ее смерти просто выходят наружу.

Поскольку самая крупная бактерия на Земле может также хранить серу, она может длиться месяцы без пищи - пернатая намибийская жемчужина, а затем просто останавливает воздух и ждет лучших времен. Сегодня мы знаем, что «Намибийская жемчужина серы» не только имеет много близких родственников в других морских районах, но также играет важную роль в экологии: эти бактерии могут вызывать образование пород с высоким содержанием фосфора. Это уменьшает количество фосфата в морской воде , так что оно больше не доступно в качестве питательного вещества для других живых существ.

Намибийская серная жемчужина

Однако, даже эта, далеко не маленькая бактерия, не может сравниться с самой большой бактерией в мире , которой считается Thiomargarita namibiensis , по другому «Намибийская серная жемчужина» - грам-отрицательная морская бактерия, открытая в 1997 году. Она не только состоит всего из одной клетки, но при этом, у неё нет поддерживающего скелета также, как и у эукариотов. Размеры Thiomargarita достигают 0,75-1 мм, что позволяет увидеть её невооруженным взглядом.

Таким образом, образование этих пород противодействует чрезмерному обогащению океанов фосфатом. Большинство бактерий обычно очень малы и могут быть обнаружены только микроскопом. Но в нескольких группах бактерий появились гигантские формы. Они более чем в сотни раз больше, чем обычные бактерии, и легко распознаются невооруженным глазом. Крупнейшие известные бактерии относятся к группе серобактерий. Эти бактерии могут быть распознаны ярко-серыми включениями серы, которые вызывают окисление сернистых бактерий сульфидом до серы и дальнейшее сульфатирование для производства энергии.

По типу обмена веществ Тиомаргарита является организмом, который получает энергию в результате восстановительно-окислительных реакций и может использовать нитрат, как конечный объект, получающий электроны. Клетки Намибийской серной жемчужины неподвижны, а потому содержание нитрата может колебаться. Thiomargarita может запасать нитрат в вакуоли, занимающей около 98% от всей клетки. При низкой концентрации нитрата, её содержимое используется для дыхания. Сульфиды окисляются нитратами до серы, которая собирается во внутренней среде бактерии в виде мелких гранул, чем и объясняется жемчужная окраска Тиомаргариты.

Для этого они используют либо кислород, либо нитрат. Дыхание нитратом также является причиной необычного размера. Клетки гигантских бактерий состоят в основном из крупных, заключенных в мембраны вакуолей, в которых они могут хранить нитрат с высокой концентрацией.

Сохраняя нитрат для дыхания и серу в качестве источника энергии, гигантские бактерии могут долго выживать в неблагоприятных внешних условиях .

Перед Намибией морское дно содержит гораздо больше сульфидов, чем в других прибрежных районах, что, очевидно, приносит пользу этому гиганту с его соответствующим большим водохранилищем нитратов. Кроме того, особенно мягкое морское дно Намибии регулярно закручивается крупномасштабными вспышками метана. С момента своего открытия 14 лет назад эти бактерии приобрели известность и были включены в Книгу рекордов Гиннеса, а также изображены на намибийской марке.

Исследование Тиомаргариты

Исследования, проведённые не так давно, показали, что Thiomargarita namibiensis может быть не облигатным, а факультативным организмом, получающим энергию без присутствия кислорода. Она способна к кислородному дыханию , если этого газа достаточно. Ещё одна отличительная черта данной бактерии – возможность палинтомического деления, происходящего без увеличения промежуточного роста. Этот процесс используется Thiomargarita namibiensis в стрессовых состояниях , вызванных голоданием.

Конечно, после открытия в Намибии поиск Тиомаргарита начался в других богатых сульфидами морских районах, и действительно, очень похожие бактерии можно было найти в других местах, но нигде в этом количестве и с таким количеством различных форм , как у берегов Намибии. Только недавно было возможно генетически изучить это разнообразие проявлений. Кроме того, были обнаружены два других ранее неизвестных рода, которые теперь называются Тиопилула и Тиофиза.

Серные бактерии и цикл фосфора

Хотя он также был обнаружен на морском дне у берегов Чили и Коста-Рики, он встречается там только как одиночная камера и не создает типичных жемчужных ожерелий, которым Тиомаргарита обязана своим именем.

В огромных ячейках серобактерий для хранения веществ достаточно места. Не только сера для энергоснабжения и нитрата в качестве окислителя, но и фосфат может накапливать клетку в качестве своего рода хранилища энергии в виде полифосфата в больших количествах . В прибрежных районах, где обитает особенно большое количество серных бактерий, образуются также породы с высоким содержанием фосфора, так называемые фосфориты.

Бактерия была открыта в донных осадках выровненной окраины материка, вблизи Намибийского побережья, Хайде Шульц, немецким биологом и её коллегами в 1997 году, а в 2005 году, в холодных клюдах дна Мексиканского залива, обнаружили близкий штамм, что является подтверждением широкого распространения Намибийской серной жемчужины.

В древних скалах, которые происходят из морских, прибрежных районов, вы часто можете найти окаменелости, форма которых напоминает серные бактерии. Все вместе это говорит о том, что в течение длительного времени крупные серные бактерии могли играть прямую роль в фосфорическом цикле моря, что благоприятствует образованию фосфоритов. Теперь возникает вопрос об условиях образования фосфоритов, так как этот процесс уменьшает количество растворенного фосфата, доступного в морской воде в качестве питательного вещества для всех живых организмов.

Виктор Островский, Samogo.Net

Бактерии - первые «жители» нашей планеты. Эти примитивные безъядерные микроорганизмы, большинство которых состоит только из одной клетки, впоследствии дали начало другим, более сложным формам жизни. Ученые исследовали более десяти тысяч их видов, однако неизученными остаются еще около миллиона. Стандартный размер представителя микромира: 0,5-5 мкм, однако самая крупная бактерия имеет размер более 700 мкм.

Поэтому увеличение образования фосфора означает меньший рост для всех организмов в долгосрочной перспективе . На самом деле, по-видимому, существует прямая связь между образованием фосфита и крупными серными бактериями. В результате образуется богатый фосфором минеральный апатит, и делается первый шаг к образованию фосфоритов.

Морское дно у берегов Намибии настолько богато фосфоритами, что они даже полезны в качестве сырья для промышленности удобрений. Мы подозреваем, что аналогичные механизмы также применяются к тиомаргарите.

Бактерии – древнейшая форма жизни на Земле

Бактерии могут иметь сферическую, спиралевидную, шаровидную формы. Их можно встретить везде, они густо населяют воду, почву, кислые среды, радиоактивные источники. Ученые находят живые одноклеточные микроорганизмы в условиях вечной мерзлоты и в извергающейся лаве вулканов. Увидеть их можно благодаря микроскопу, но некоторые бактерии вырастают до гигантских размеров, полностью изменяя представление человека о микромире.

Пока неизвестно, почему сульфид вызывает выброс фосфата. На самом деле, однако, можно заметить, что как сегодня, так и в истории Земли, фосфориты образовались в сильно сульфидном морском дне. Поэтому мы подозреваем, что эти и подобные бактерии играют важную роль в цикле фосфора в море и, вероятно, способствовали образованию фосфорита в геологическом прошлом. Какой совет дает эксперт по здоровью, если мы зададим ей вопросы о том, как легко и недорого избежать размножения бактерий? «Мытье рук», доктор Эккерли, британский специалист по гигиене.

В конце концов, патогены особенно любят появляться и часто появляются там, где их не ожидают. Неудивительно, что 65% всех простудных заболеваний , 50% всех диарейных заболеваний и 80% всех желудочно-кишечных заболеваний , связанных с пищевыми продуктами, попадают в «чистые» домашние хозяйства. Не в ванной, а на кухне. В большинстве домашних хозяйств вероятность обнаружения фекальных бактерий в 200 раз выше.

• Thiomargarita namibiensis, Намибийская серная жемчужина – так называется самая крупная из известных человеку бактерий. Чтобы ее увидеть, не нужен микроскоп, длина ее составляет 750 мкм. Гигант микромира был обнаружен немецким ученым в придонных водах во время экспедиции на российском научном судне.

• Epulopiscium fishelsoni обитает в кишечнике рыбы-хирурга и имеет длину 700 мкм. Объем этой бактерии в 2000 раз превышает объем микроорганизма стандартных размеров . Первоначально крупное одноклеточное было найдено внутри рыб-хирургов, населяющих Красное море, но после было обнаружено и в других видах рыб в районе Большого Барьерного рифа.
• Спирохеты – бактерии с длинными, спиральными клетками. Очень подвижны. Живут в воде, в почве или в другой питательной для них среде. Многие спирохеты – это возбудители серьезных болезней человека, другие разновидности являются сапрофитами – разлагают отмершую органику. Эти бактерии могут вырасти до длины 250 мкм.
• Цианобактерии – древнейшие микроорганизмы. Учеными были найдены продукты их жизнедеятельности, возраст которых составляет более 3,5 млрд лет. Эти одноклеточные являются частью океанического планктона и производят 20-40% кислорода на Земле. Спирулину высушивают, перемалывают и добавляют в пищу. Оксигенный фотосинтез характерен для водорослей и высших растений . Цианобактерии – единственные одноклеточные, которые в процессе фотосинтеза выделяют кислород. Именно благодаря цианобактериям в атмосфере Земли появился большой запас кислорода. Ширина клеток у этих бактерий варьируется от 0,5 до 100 мкм.

• Актиномицеты обитают в кишечнике большинства беспозвоночных. Их диаметр - 0,4-1,5 мкм. Существуют патогенные формы актиномицетов, живущие в зубном налете и в дыхательных путях человека. Благодаря актиномицетам человек также ощущает специфический «запах дождя».
• Beggiatoa alba. Протеобактерии этого рода населяют места, богатые серой, пресные реки и моря. Размер этих бактерий - 10х50 мкм.
• Азотобактер имеет диаметр 1-2 мкм, живет в слабощелочных или нейтральных средах, играет большую роль в круговороте азота, повышает плодородие почвы и стимулирует рост растений.
• Mycoplasma mycoides – возбудитель легочных заболеваний у коров и коз. Эти клетки имеют размер 0,25-0,75 мкм. Бактерии не имеют жесткой оболочки, от внешней среды они защищены лишь цитоплазматической мембраной. Геном этого вида бактерий является одним из самых простых.

Археи не являются бактериями, но так же, как и они, состоят из единственной клетки. Эти одноклеточные были выделены вблизи термальных подводных источников, внутри нефтяных скважин и под ледяной поверхностью северных районов Аляски. Археи имеют свою собственную эволюцию развития и отличаются от других форм жизни некоторыми биохимическими особенностями . Средний размер археи – 1 мкм.

Создайте иммунную систему - и регулярно очищайте ее

Хорошая иммунная защита в основном кишечная. Так хорошая защита кишечника отвечает за наше здоровье. Поэтому целесообразно наращивать кишечную флору с помощью хорошей диеты. Жидкие и гигиенические условия должны быть получены для оставшихся 20 процентов. Самые грязные предметы домашнего обихода: кухонные губки и тряпки, разделочные доски, кухонные столешницы, стоки, дверные ручки и зубные щетки.

Влажный и теплый - идеальный климат для размножения. Кроме того, бактерии очень легко транспортируются из одного места в другое с помощью текстиля. Лучше всего использовать отдельные текстильные изделия и часто их заменять. Регулярно высушивают: большинство бактериальных штаммов не могут выжить в сухих условиях. Хороший совет : вы можете дезинфицировать губки, вымыв их в посудомоечной машине.

Теоретически самый минимальный размер одноклеточного микроорганизма: 0,15-0,20 мкм. При меньшем размере клетка не сможет воспроизводить себе подобных, так как в ней не поместятся биополимеры в нужном составе и в необходимом количестве.

Роль бактерий в природе

В организме человека сосуществует более миллиона видов разных одноклеточных микроорганизмов. Одни из них чрезвычайно полезны, другие могут нанести непоправимый урон здоровью. Первую «порцию» бактерий младенец получает при рождении – во время прохождения через родовые пути матери и в первые минуты после родов.

Порезы и трещины на досках обеспечивают большую питательную среду для бактерий. Опять же, будьте осторожны, чтобы не было перекрестных загрязнений: не используйте сырое мясо и сырую рыбу без дезинфекции. Чтобы разрезающая доска была полностью чистой, рекомендуется использовать этот чистящий агент: Смешайте 1 чайную ложку хлорного отбеливателя с 200 мл воды. Слейте доску, дайте ей высохнуть. Вы также можете поставить разделочные доски в посудомоечную машину.

Самая большая проблема : очистите рабочие поверхности только, казалось бы, чистым текстилем. Если вы используете те же грязные ткани и кухонные губки для различной посуды, это увеличивает риск появления микробов. Помогает регулярная дезинфекция. Даже стоки обеспечивают бактерии влажным климатом. Вы получаете их чистыми с содовой или пищевой содой и зубной щеткой. Таким образом, пятна, упрямая грязь и даже запахи легко могут быть отправлены в бегство. Сливы можно также регулярно вылечить.

Если ребенок появляется на свет путем кесарева сечения , организм малыша заселяется не родственными для него микроорганизмами. Как следствие, у него понижается естественный иммунитет , повышается риск возникновения аллергических реакций . К трем годам большая часть микробиома ребенка является сформированной. У каждого человека есть свой уникальный набор населяющих его микроорганизмов.

Из рук в руки: бактерии любят дверные ручки. Если член все еще болен, мини-вредители еще более счастливы. Особенно в этом случае: регулярно мыть руки. Антибактериальное мыло следует избегать в любом случае, потому что это настоящие раковины, которые убивают все бактериальные штаммы. Естественное мыло - более здоровая альтернатива.

Различные бактериальные штаммы

Вы должны меняться раз в три месяца. Не только из-за бактерий, также потому, что вы ломаете щетки с течением времени. Несмотря на все описанные «домашние путаницы»: бактерии не плохи сами по себе. Существуют хорошие и плохие бактериальные штаммы, и большинство людей могут легко справляться с обоими штаммами. Нормальные домашние хозяйства поселяются здоровой бактериальной флорой.

Бактерии используются человеком при производстве лекарств и пищевых продуктов . Они расщепляют органические соединения, очищая их и превращая грязные стоки в безвредную воду. Почвенные микроорганизмы производят азотные соединения, необходимые для роста растений. Одноклеточные активно перерабатывают органику и осуществляют круговорот веществ в природе, который является основой жизни на нашей планете.

Бактерии — самая древняя группа организмов из ныне существующих на Земле. Первые бактерии появились, вероятно, более 3,5 млрд лет назад и на протяжении почти миллиарда лет были единственными живыми существами на нашей планете. Поскольку это были первые представители живой природы, их тело имело примитивное строение.

Со временем их строение усложнилось, но и поныне бактерии считаются наиболее примитивными одноклеточными организмами. Интересно, что некоторые бактерии и сейчас ещё сохранили примитивные черты своих древних предков. Это наблюдается у бактерий, обитающих в горячих серных источниках и бескислородных илах на дне водоёмов.

Большинство бактерий бесцветно. Только немногие окрашены в пурпурный или в зелёный цвет. Но колонии многих бактерий имеют яркую окраску, которая обусловливается выделением окрашенного вещества в окружающую среду или пигментированием клеток.

Первооткрывателем мира бактерий был Антоний Левенгук — голландский естествоиспытатель 17 века, впервые создавший совершенную лупу-микроскоп, увеличивающую предметы в 160-270 раз.

Бактерии относят к прокариотам и выделяют в отдельное царство — Бактерии.

Форма тела

Бактерии — многочисленные и разнообразные организмы. Они различаются по форме.

Название бактерии	Форма бактерии	Изображение бактерии
Кокки		Шарообразная
Бацилла		Палочковидная
Вибрион		Изогнутая в виде запятой
Спирилла		Спиралевидная
Стрептококки		Цепочка из кокков
Стафилококки		Грозди кокков
Диплококки		Две круглые бактерии, заключённые в одной слизистой капсуле

Способы передвижения

Среди бактерий есть подвижные и неподвижные формы. Подвижные передвигаются за счёт волнообразных сокращений или при помощи жгутиков (скрученные винтообразные нити), которые состоят из особого белка флагеллина. Жгутиков может быть один или несколько. Располагаются они у одних бактерий на одном конце клетки, у других — на двух или по всей поверхности.

Но движение присуще и многим иным бактериям, у которых жгутики отсутствуют. Так, бактерии, покрытые снаружи слизью, способны к скользящему движению.

У некоторых лишённых жгутиков водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли. В клетке может быть 40-60 вакуолей. Каждая из них заполнена газом (предположительно — азотом). Регулируя количество газа в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на её поверхность, а почвенные бактерии — передвигаться в капиллярах почвы.

Место обитания

В силу простоты организации и неприхотливости бактерии широко распространены в природе. Бактерии обнаружены везде: в капле даже самой чистой родниковой воды, в крупинках почвы, в воздухе, на скалах, в полярных снегах, песках пустынь, на дне океана, в добытой с огромной глубины нефти и даже в воде горячих источников с температурой около 80ºС. Обитают они на растениях, плодах, у различных животных и у человека в кишечнике, ротовой полости, на конечностях, на поверхности тела.

Бактерии — самые мелкие и самые многочисленные живые существа. Благодаря малым размерам они легко проникают в любые трещины, щели, поры. Очень выносливы и приспособлены к различным условиям существования. Переносят высушивание, сильные холода, нагревание до 90ºС, не теряя при этом жизнеспособность.

Практически нет места на Земле, где не встречались бы бактерии, но в разных количествах. Условия жизни бактерий разнообразны. Одним из них необходим кислород воздуха, другие в нём не нуждаются и способны жить в бескислородной среде.

В воздухе: бактерии поднимаются в верхние слои атмосферы до 30 км. и больше.

Особенно много их в почве. В 1 г. почвы могут содержаться сотни миллионов бактерий.

В воде: в поверхностных слоях воды открытых водоёмов. Полезные водные бактерии минерализуют органические остатки.

В живых организмах: болезнетворные бактерии попадают в организм из внешней среды, но лишь в благоприятных условиях вызываю заболевания. Симбиотические живут в органах пищеварения, помогая расщеплять и усваивать пищу, синтезируют витамины.

Внешнее строение

Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой — клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи — капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула — не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.

На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.

Внутреннее строение

Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, — нуклеиновая кислота — ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.

Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.

В центральной части клетки локализовано ядерное вещество — ДНК, не отграниченная от цитоплазмы мембраной. Это аналог ядра — нуклеоид. Нуклеоид не обладает мембраной, ядрышком и набором хромосом.

Способы питания

У бактерий наблюдаются разные способы питания. Среди них есть автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — организмы, способные самостоятельно образовывать органические вещества для своего питания.

Растения нуждаются в азоте, но сами усваивают азот воздуха не могут. Некоторые бактерии соединяют содержащиеся в воздухе молекулы азота с другими молекулами, в результате чего получаются вещества, доступные для растений.

Эти бактерии поселяются в клетках молодых корней, что приводит к образованию на корнях утолщений, называемых клубеньками. Такие клубеньки образуются на корнях растений семейства бобовых и некоторых других растений.

Корни дают бактериям углеводы, а бактерии корням — такие содержащие азот вещества, которые могут быть усвоены растением. Их сожительство взаимовыгодно.

Корни растений выделяют много органических веществ (сахара, аминокислоты и другие), которыми питаются бактерии. Поэтому в слое почвы, окружающем корни, поселяется особенно много бактерий. Эти бактерии превращают отмершие остатки растений в доступные для растения вещества. Этот слой почвы называют ризосферой.

Существует несколько гипотез о проникновении клубеньковых бактерий в ткани корня:

• через повреждения эпидермальной и коровой ткани;
• через корневые волоски;
• только через молодую клеточную оболочку;
• благодаря бактериям-спутникам, продуцирующим пектинолитические ферменты;
• благодаря стимуляции синтеза В-индолилуксусной кислоты из триптофана, всегда имеющегося в корневых выделениях растений.

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня состоит из двух фаз:

• инфицирование корневых волосков;
• процесс образования клубеньков.

В большинстве случаев внедрившаяся клетка, активно размножается, образует так называемые инфекционные нити и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения. Клубеньковые бактерии, вышедшие из инфекционной нити, продолжают размножаться в ткани хозяина.

Наполняющиеся быстро размножающимися клетками клубеньковых бактерий растительные клетки начинают усиленно делиться. Связь молодого клубенька с корнем бобового растения осуществляется благодаря сосудисто-волокнистым пучкам. В период функционирования клубеньки обычно плотные. К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.

Бактерии клубеньков создают десятки и сотни килограммов азотных удобрений на гектаре почвы.

Обмен веществ

Бактерии отличаются друг от друга обменом веществ. У одних он идёт при участии кислорода, у других — без его участия.

Большинство бактерий питается готовыми органическими веществами. Лишь некоторые из них (сине-зелёные, или цианобактерии), способны создавать органические вещества из неорганических. Они сыграли важную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли.

Бактерии впитывают вещества извне, разрывают их молекулы на части, из этих частей собирают свою оболочку и пополняют своё содержимое (так они растут), а ненужные молекулы выбрасывают наружу. Оболочка и мембрана бактерии позволяет ей впитывать только нужные вещества.

Если бы оболочка и мембрана бактерии были полностью непроницаемыми, в клетку не попали бы никакие вещества. Если бы они были проницаемыми для всех веществ, содержимое клетки перемешалось бы со средой — раствором, в которой обитает бактерия. Для выживания бактерии необходима оболочка, которая нужные вещества пропускает, а ненужные — нет.

Бактерия поглощает находящиеся близ неё питательные вещества. Что происходит потом? Если она может самостоятельно передвигаться (двигая жгутик или выталкивая назад слизь), то она перемещается, пока не найдёт необходимые вещества.

Если она двигаться не может, то ждёт, пока диффузия (способность молекул одного вещества проникать в гущу молекул другого вещества) не принесёт к ней необходимые молекулы.

Бактерии в совокупности с другими группами микроорганизмов выполняют огромную химическую работу. Превращая различные соединения, они получают необходимую для их жизнедеятельности энергию и питательные вещества. Процессы обмена веществ, способы добывания энергии и потребности в материалах для построения веществ своего тела у бактерий разнообразны.

Другие бактерии все потребности в углероде, необходимом для синтеза органических веществ тела, удовлетворяют за счёт неорганических соединений. Они называются автотрофами. Автотрофные бактерии способны синтезировать органические вещества из неорганических. Среди них различают:

Хемосинтез

Использование лучистой энергии — важнейший, но не единственный путь создания органического вещества из углекислого газа и воды. Известны бактерии, которые в качестве источника энергии для такого синтеза используют не солнечный свет, а энергию химических связей, происходящих в клетках организмов при окислении некоторых неорганических соединений — сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотной кислоты, закисных соединений железа и марганца. Образованное с использованием этой химической энергии органическое вещество они используют для построения клеток своего тела. Поэтому такой процесс называют хемосинтезом.

Важнейшую группу хемосинтезирующих микроорганизмов составляют нитрифицирующие бактерии. Эти бактерии живут в почве и осуществляют окисление аммиака, образовавшегося при гниении органических остатков, до азотной кислоты. Последняя, реагирует с минеральными соединениями почвы, превращаются в соли азотной кислоты. Этот процесс проходит в две фазы.

Железобактерии превращают закисное железо в окисное. Образованная гидроокись железа оседает и образует так называемую болотную железную руду.

Некоторые микроорганизмы существуют за счёт окисления молекулярного водорода, обеспечивая тем самым автотрофный способ питания.

Характерной особенностью водородных бактерий является способность переключаться на гетеротрофный образ жизни при обеспечении их органическими соединениями и отсутствии водорода.

Таким образом, хемоавтотрофы являются типичными автотрофами, так как самостоятельно синтезируют из неорганических веществ необходимые органические соединения, а не берут их в готовом виде от других организмов, как гетеротрофы. От фототрофных растений хемоавтотрофные бактерии отличаются полной независимостью от света как источника энергии.

Бактериальный фотосинтез

Некоторые пигментосодержащие серобактерии (пурпурные, зелёные), содержащие специфические пигменты — бактериохлорофиллы, способны поглощать солнечную энергию, с помощью которой сероводород в их организмах расщепляется и отдаёт атомы водорода для восстановления соответствующих соединений. Этот процесс имеет много общего с фотосинтезом и отличается только тем, что у пурпурных и зелёных бактерий донором водорода является сероводород (изредка — карбоновые кислоты), а у зелёных растений — вода. У тех и других отщепление и перенесение водорода осуществляется благодаря энергии поглощённых солнечных лучей.

Такой бактериальный фотосинтез, который происходит без выделения кислорода, называется фоторедукцией. Фоторедукция углекислого газа связана с перенесением водорода не от воды, а от сероводорода:

6СО 2 +12Н 2 S+hv → С6Н 12 О 6 +12S=6Н 2 О

Биологическое значение хемосинтеза и бактериального фотосинтеза в масштабах планеты относительно невелико. Только хемосинтезирующие бактерии играют существенную роль в процессе круговорота серы в природе. Поглощаясь зелёными растениями в форме солей серной кислоты, сера восстанавливается и входит в состав белковых молекул. Далее при разрушении отмерших растительных и животных остатков гнилостными бактериями сера выделяется в виде сероводорода, который окисляется серобактериями до свободной серы (или серной кислоты), образующий в почве доступные для растения сульфиты. Хемо- и фотоавтотрофные бактерии имеют существенное значение в круговороте азота и серы.

Спорообразование

Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий.

Споры — не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий — это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях.

Размножение

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее.

После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес — 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.

Бактерия (1), поглотившая достаточно пищи, увеличивается в размерах (2) и начинает готовиться к размножению (делению клетки). Её ДНК (у бактерии молекула ДНК замкнута в кольцо) удваивается (бактерия производит копию этой молекулы). Обе молекулы ДНК (3,4) оказываются, прикреплены к стенке бактерии и при удлинении бактерии расходятся в стороны (5,6). Сначала делится нуклеотид, затем цитоплазма.

После расхождения двух молекул ДНК на бактерии появляется перетяжка, которая постепенно разделяет тело бактерии на две части, в каждой из которых есть молекула ДНК (7).

Бывает (у сенной палочки), две бактерии слипаются, и между ними образуется перемычка (1,2).

По перемычке ДНК из одной бактерии переправляется в другую (3). Оказавшись в одной бактерии, молекулы ДНК сплетаются, слипаются в некоторых местах (4), после чего обмениваются участками (5).

Роль бактерий в природе

Круговорот

Бактерии — важнейшее звено общего круговорота веществ в природе. Растения создают сложные органические вещества из углекислого газа, воды и минеральных солей почвы. Эти вещества возвращаются в почву с отмершими грибами, растениями и трупами животных. Бактерии разлагают сложные вещества на простые, которые снова используют растения.

Бактерии разрушают сложные органические вещества отмерших растений и трупов животных, выделения живых организмов и разные отбросы. Питаясь этими органическими веществами, сапрофитные бактерии гниения превращают их в перегной. Это своеобразные санитары нашей планеты. Таким образом, бактерии активно участвуют в круговороте веществ в природе.

Почвообразование

Поскольку бактерии распространены практически повсеместно и встречаются в огромном количестве, они во многом определяют различные процессы, происходящие в природе. Осенью опадают листья деревьев и кустарников, отмирают надземные побеги трав, опадают старые ветки, время от времени падают стволы старых деревьев. Всё это постепенно превращается в перегной. В 1 см 3 . поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов сапрофитных почвенных бактерий нескольких видов. Эти бактерии превращают перегной в различные минеральные вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений.

Некоторые почвенные бактерии способны поглощать азот из воздуха, используя его в процессах жизнедеятельности. Эти азотофиксирующие бактерии живут самостоятельно или поселяются в корнях бобовых растений. Проникнув в корни бобовых, эти бактерии вызывают разрастание клеток корней и образование на них клубеньков.

Эти бактерии выделяют азотные соединения, которые используют растения. От растений бактерии получают углеводы и минеральные соли. Таким образом, между бобовым растением и клубеньковыми бактериями существует тесная связь, полезная как одному, так и другому организму. Это явление носит название симбиоза.

Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями бобовые растения обогащают почву азотом, способствуя повышению урожая.

Распространение в природе

Микроорганизмы распространены повсеместно. Исключение составляют лишь кратеры действующих вулканов и небольшие площадки в эпицентрах взорванных атомных бомб. Ни низкие температуры Антарктики, ни кипящие струи гейзеров, ни насыщенные растворы солей в соляных бассейнах, ни сильная инсоляция горных вершин, ни жёсткое облучение атомных реакторов не мешают существованию и развитию микрофлоры. Все живые существа постоянно взаимодействуют с микроорганизмами, являясь часто не только их хранилищами, но и распространителями. Микроорганизмы — аборигены нашей планеты, активно осваивающие самые невероятные природные субстраты.

Микрофлора почвы

Количество бактерий в почве чрезвычайно велико — сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв.

На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков.

Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора — один из факторов образования почв.

Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, — ризосферной микрофлорой.

Микрофлора водоёмов

Вода — природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается.

Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая — 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные.

По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.

Микрофлора воздуха

Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий, которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.

Микрофлора организма человека

Тело человека, даже полностью здорового, всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками — прекрасная среда для развития микроорганизмов.

Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном шаре.

Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце, печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы попадают только во время болезни.

Бактерии в круговороте веществ

Микроорганизмы вообще и бактерии в частности играют большую роль в биологически важных круговоротах веществ на Земле, осуществляя химические превращения, совершенно недоступные ни растениям, ни животным. Различные этапы круговорота элементов осуществляются организмами разного типа. Существование каждой отдельной группы организмов зависит от химического превращения элементов, осуществляемого другими группами.

Круговорот азота

Циклическое превращение азотистых соединений играет первостепенную роль в снабжении необходимыми формами азота различных по пищевым потребностям организмов биосферы. Свыше 90% общей фиксации азота обусловлено метаболической активностью определённых бактерий.

Круговорот углерода

Биологическое превращение органического углерода в углекислый газ, сопровождающееся восстановлением молекулярного кислорода, требует совместной метаболической активности разнообразных микроорганизмов. Многие аэробные бактерии осуществляют полное окисление органических веществ. В аэробных условиях органические соединения первоначально расщепляются путём сбраживания, а органические конечные продукты брожения окисляются далее в результате анаэробного дыхания, если имеются неорганические акцепторы водорода (нитрат, сульфат или СО 2).

Круговорот серы

Для живых организмов сера доступна в основном в форме растворимых сульфатов или восстановленных органических соединений серы.

Круговорот железа

В некоторых водоёмах с пресной водой содержатся в высоких концентрациях восстановленные соли железа. В таких местах развивается специфическая бактериальная микрофлора — железобактерии, окисляющие восстановленное железо. Они участвуют в образовании болотных железных руд и водных источников, богатых солями железа.

Бактерии являются самыми древними организмами, появившимися около 3,5 млрд. лет назад в архее. Около 2,5 млрд. лет они доминировали на Земле, формируя биосферу, участвовали в образовании кислородной атмосферы.

Бактерии являются одними из наиболее просто устроенных живых организмов (кроме вирусов). Полагают, что они - первые организмы, появившиеся на Земле.

В это статье, мы приглашаем вас на увлекательную экскурсию по списку 25 самых больших живых существ на Земле, начиная от гигантов по стандартам микромира - вирусов, бактерий и амеб к крупнейшим беспозвоночным, насекомым, амфибиям, птицам, рептилиям, рыбам, млекопитающим, растениям и грибам.

1. Самый крупный из известных вирусов (1,5 мкм в длину)

Можно долго спорить, являются ли на самом деле вирусы живыми организмами - одни биологи говорят да, другие не столь уверены. Тем не менее, нет никаких сомнений, что Pithovirus настоящий гигант среди известных науке вирусов (около 1,5 мкм в длину), на 50 процентов больше ближайшего рекордсмена - Pandoravirus . Возможно вы подумали, что возбудитель такого размера, как Pithovirus способен заражать крупных животных таких, как слоны, бегемоты или даже людей. Но не стоит волноваться, вирус поражает лишь амеб, которые не на много больше его самого.

2. Самая большая в мире бактерия (более 0,5 мм в длину)

Thiomargarita namibiensis - в переводе латыни означает "намибийская серная жемчужина". Такое название бактерия получила из-за гранул серы, включенных в цитоплазму, придающих ей блестящий внешний вид. Размер thiomargarita namibiensis составляет более половины миллиметра в ширину, что дает возможность рассмотреть ее неворужоным глазом. Thiomargarita namibiensis абсолютно безвредна для людей и животных, так как является литотрофом (организмы, использующие неорганические вещества в качестве окисляемых субстратов (доноров электронов)).

3. Самая большая амеба на планете (3 мм в длину)

Самая большая амеба относится к роду «Chaos» . Конечно, она намного меньше чудовищных амеб из комиксов и научно-фантастических фильмов. Но все же, это настоящий великан среди амеб, которого легко разглядеть невооруженным глазом. Еще одной особенностью крупнейшей в мире амебы, является способность переваривания мелких многоклеточных организмов, бактерий и протистов.

4. Самый тяжелый жук (85-110 г)

Несмотря на то, что голиаф не самый длинный жук в мире, тем не менее, учитывая их массу (некоторые особи весят более 100 г), они несомненно соответствую своему названию. Жук-голиаф, по массе и размеру сопоставим со взрослой мышей песчанкой, в чем вы уже убедились посмотрев фото выше.

5. Крупнейший паук (масса тела до 175 г)

Терафоза Блонда или птицеед-голиаф - крупнейший паук мира, родом из тропических лесов Южной Америки. Учитывая ноги, длина тела птицееда-голиафа может достигать до 28 см, а вес - до 175 г. Продолжительность жизни самок пауков-гигантов в дикой природе составляет до 25 лет, а половая зрелость наступает в 3 года. Самцам повезло меньше, несмотря на то, что их не съедает самка после акта спаривания, как у других видов пауков, продолжительность жизни у них значительно короче - от 3 до 6 лет.

6. Самый большой червь (средняя длина 60-90 см)

Если вы испытываете сильную неприязнь к червям, то вас может встревожить факт существования более половины дюжины видов гигантских червей - самым большим из которых является африканский гигантский червь, длиною до 1,5 м. Несмотря на размеры сопоставимые со средней змеей, гигантские дождевые черви являются столь же безобидны, как их мелкие собратья. Они любят закапываться глубоко в грязи, держаться подальше от людей (и остальных животных), спокойно поедая гнилые листья и другие разлагающиеся органические вещества.

7. Самая крупная амфибия (масса тела до 3 кг)

"Голиаф" является популярным названием для крупнейших в своем роде представителей фауны (см. пункты №4 и №5). Лягушка-голиаф обитает в западно-центральной части Африки. Средний вес лягушки-голиаф около 2,5 кг, что гораздо меньше, чем масса Beelzebufo ampinga (около 5 кг) - крупнейшая лягушка, жившая на Земле во времена позднего мелового периода.

8. Самое большое членистоногое животное (3-4 м с учетом ног)

Японский краб-паук поистине огромное и чрезвычайно длинноногое животное. Передние ноги этого представителя членистоногих достигают длины до 2 м, а туловище до 45 см. Пестрый, оранжево-белый окрас экзоскелета служит отличной маскировкой от крупных морских хищников. Как большинство других странных существ, японский краб-паук является ценным деликатесом в Японии, но в последнее время, редко встречаются в меню ресторанов из-за давление со стороны защитников природных ресурсов.

9. Крупнейшее цветковое растение (диаметр до 1 м)

К счастью для всех нас, среда обитания Раффлезии Арнольда, ограничивается Индонезией, Малайзией, Таиландом и Филиппинами. Вы определенно не встретите ее в соседском саду. :)

10. Самая большая губка на планете (до 2 м в диаметре)

Кроме того, что гигантская морская губка (Xestospongia muta) крупнейшая в своем роде, это рекордсмен по продолжительности жизни среди беспозвоночных животных, некоторые особи живут более 1000 лет. Как и другие виды губок, xestospongia muta питается путем фильтрации мелких организмов из морской воды.

11. Самая крупная медуза (до 37 м в длину)

С диаметром купола около 2 м и щупальцами более 30 м, по длине волосистая цианея, сопоставима с синим китом (см. пункт №22). Несмотря на столь гигантские размеры, щупальца этих медуз не представляют смертельной опасности для человека (только болезненные ощущения и сыпь на коже). Волосистая цианея, также выполняет важную экологическую функцию, предоставляя различным видам рыб и ракообразных убежище под огромным куполом.

Интересным является то факт, что волосистые цианеи - любимый источник пропитания для другого гиганта в этом списке - кожистой черепахи (см. пункт №17)

12. Самая большая летающая птица (взрослые самцы весят до 20 кг)

Учитывая огромную (по меркам птиц) массу тела - до 20 кг, африканская большая дрофа идет против законов аэродинамики. Это не самая изящная птица в мире, когда дело касается полета. На самом деле, африканская большая дрофа, значительную часть жизни проводит на суше в южной части Африки, громко кудахкая и поглощая почти все, что движется. Полет она использует только в случаи крайне опасности.

В этом отношении, африканская большая дрофа не отличается от еще более крупных птерозавров - летающие рептилии мезозойской эры.

13. Самый большой представитель протистов (более 45 м в длину)

Многие люди ошибочно полагают, что существует только четыре категории жизни - бактерии, растения, грибы и животные - но не стоит забывать о примитивных эукариотических организмах, таких как и хромисты. Скорей всего вас удивит тот факт, что все водоросли относятся к протистам. Самым большим представителем протистов является Macrocystis pyrifera - вид бурых водорослей из семейства ламинариевые, который способен вырастать более 45 м в длину, обеспечивая надежным убежищем множество морских организмов.

14. Крупнейшая не летающая птица (до 270 см в высоту и массой до 156 кг)

Если брать глобально, то страус не только крупнейшая не летающая птица, но и вообще самая большая птица из ныне живущих на Земле. Максимальная зарегистрированная высота страуса составляет 2,7 м, а масса - 156 кг. Может показаться невероятным, но относительно недавно (около 200-300 лет назад) на острове Мадагаскар, обитал вид птиц - мадагаскарский эпиорнис, по сравнению с которыми страус показался бы цыпленком. Эти птицы могли достигать 3-5 м в высоту и до 500 кг в весе, что сопоставимо с размерами птиц рода Дроморнисы (Dromornis), живших на планете в период позднего миоцена.

15. Самая большая змея (масса - 97,5 кг)

По сравнению с другими организмами из этого списка, классификация змей по размерам значительно затруднена. Даже профессиональные натуралисты имеют тенденцию к завышению размера змей, которых они наблюдали в дикой природе, так как, транспортировка крупных экземпляров для детального изучения, практически не возможна. При этом, большинство ученых согласны, что анаконда является крупнейшей змеей планеты. Самая большая из пойманных анаконд, имела длину 521 см и массу 97,5 кг.

16. Крупнейший представитель двустворчатых моллюсков (более 200 кг)

Гигантская тридакна - самый большой вид из класса двустворчатые моллюски, встречающийся в водах Тихого и Индийского океанов. Максимальная масса гигантской тридакнаны составляет более 200 кг, а длина раковины может превышать 1 м. Несмотря на грозную репутацию, гигантский моллюск закрывать свою раковину лишь в случаи опасности, а его размеров не достаточно, чтобы проглотить взрослого человека.

17. Самая крупная черепаха (масса более 500 кг)

Кожистая черепаха - крупный вид морских черепах, обитающих в тропических широтах. Эти черепахи разительно отличаются от своих сородичей. Панцирь кожистой черепахи состоит из небольших костных пластинок и не прикреплен к скелету, как у других видов. Кроме строения тела, отличительной особенностью кожистых черепах является их гигантский размер - масса взрослой особи может превышать 500 кг.

18. Самая большая рептилия (масса до 1000 кг)

По меркам динозавров, когда крупнейшая рептилия весила 100 тонн, гребнистый крокодил просто мелкая ящерка. Тем не менее, в мире современных рептилий - эти крокодилы настоящие гиганты. Длина тела взрослой особи гребнистого крокодила варьируется от 3,5 до 6 м, а масса от 200 до 1000 кг.

19. Крупнейшая рыба (максимальный вес 2235 кг)

Своеобразный внешний вид обыкновенной луна-рыба делает ее одним из самых странных обитателей океана. Но эти рыбы известны не только чудаковатым видом, а также своими исполинскими размерами. Рекордный из пойманных экземпляров обыкновенной луна-рыбы, имел длину - 4,26 м и массу - 2235 кг.

20. Крупнейшее наземное млекопитающие (средняя масса 5 т)

Млекопитающее из рода африканских слонов, а также самое большое наземное животное. Средняя масса самки составляет 3 т, а самца - 6 т. Взрослый саванный слон, способен ежедневно съедать около 200 кг растительности и выпивать до 200 л воды.

21. Самая большая акула (более 12 м в длину)

Как ни странно, но самые крупные животные мирового океана, обычно питаются микроскопическими организмами. Подобно синему киту (см. следующий пункт), рацион китовой акулы в основном состоит из планктона, мелких кальмаров и рыб. Что качается размеров китовой акулы, то здесь не возможно назвать точные цифры. Существует различные источники, утверждающие о пойманных гигантских особях более 20 м в длину и массой до 40 т. Учитывая тягу многих рыбаков к преувеличению, нельзя быть на 100% уверенным в этих данных. По всей видимости, более реальные размеры китовой акулы составляют 12-14 м в длину.

22. Самое крупное морское животное (200 т)

На самом деле, синий кит не только крупнейшее морское животное, но и по всей видимости самое большое животное в истории жизни на Земле, науке пока не известны динозавры или другие рептилии массой в 200 т. Как и китовая акула (см. предыдущий пункт), синий кит питается микроскопическим планктоном, фильтруя бесчисленные галлоны морской воды через плотные пластин китового уса. Ученые-натуралисты считают, что взрослый синий кит потребляет 3-4 тонны криля каждый день.

23. Крупнейший гриб (600 т)

Возможно, в вашем понимании самый большой гриб имеет ножку толщиною в столб и шляпу размером с крышу дома, но в действительности все выглядеть иначе. Гриб рекордсмен, а точнее колония грибов, которая имеет общую грибницу и функционирует, как единый организм, находится в лесах штата Орегон, США и относится к роду опенок. Колония охватывает площадь в 2000 акров и имеет общую массу около 600 т. Возраст гигантского гриба, по подсчетам ботаников составляет более 2400 лет.

24. Самое большое одиночное дерево (около 1000 т)

Гигантская секвойя - дерево, по истине исполинских размеров. Высота ствола гигантской секвойи достигает 100 м, при диаметре 10-12 м, а расчетная масса самых крупных деревьев составляет около 1000 т. Они, также относятся к самым древним организмам на планете, кольца одного дерева на Северо-Западе США, указывали на возраст 3500 лет.

25. Самая большая колония деревьев (6000 т)

Подобно колонии грибов (см. пункт 23), крупнейшая колония тополя осинообразного "Пандо", расположенная в штате Юта, США имеет общую корневую систему и одинаковые гены. Проще говоря все деревья колонии - клоны, произошедшие от общего предка около 80000 лет назад. К сожалению, в настоящее время, Пандо в плохом состоянии, медленно угасая от засухи, болезней и нашествия насекомых. Ботаники отчаянно пытаются решить проблему, так что надеемся, эта колония сможет процветать еще не менее 80000 лет.

Несмотря на то, что весьма очевидные яйцеклетки птиц и рыб большинство людей ест почти ежедневно, при словах «одноклеточный организм» представляется нечто такое, что можно разглядеть лишь в микроскоп. Действительно, подавляющее большинство одноклеточных тварей не превышает габаритов в сотые доли миллиметра, и это объяснимо рядом факторов. Крупным живым клеткам труднее поддерживать целостность структуры, сложнее транспортировать пищу и отходы внутри организма, кроме того, внушительный рост требует изрядной энергии, что эволюционно невыгодно.

Но мир микробов богат на виды, стар и разнообразен, посему полон исключениями из правил. И некоторые организмы, к коим прилепить бы приставку «микро-», вопреки эволюционной выгоде достигают совсем не . Что, естественно, восхищает и завораживает.

Инфузория-трубач

Это пресноводное существо похоже на трубу древнего граммофона и вырастает до 2 мм в длину, поэтому инфузорию-трубача можно изучать без приборов. Простейшие рода Stentor хорошо известны любителям микробов. Два миллиметра не кажутся супердлиной, однако же многие многоклеточные дети природы занимают гораздо меньше места в среде обитания и на предметных стеклах.

Инфузорию-трубача делает колоссом в мире мелюзги её анатомия. В отличие от заурядных эукариот, Stentor содержит в себе не одно, а несколько ядер. Это облегчает ему ежедневный труд по поддержанию себя в духе. В случае данной инфузории многочисленные малые ядра отвечают за размножение, а большое ядро — макронуклеус — заведует всем прочим, играя роль этакого мозгового центра.

Тельце трубача покрыто ресничками разной длины. Их дружные движения позволяют инфузории плавать. Питаются эти колоссы микрокосма, например, илом. Функцию рта выполняет узкая оконечность «трубы». При этом в пищу попадают некоторые бактерии, небольшие простейшие и даже крошечные невезучие многоклеточные.

Багамская громия

Однажды ученые из Техасского универа отправились на дно морское рядом с Багамскими островами и обнаружили там, в сумрачных глубинах, десятки необычных сферических объектов размером с виноградины. Эти объекты казались неподвижными, но явно оставляли следы на песке длиной до полуметра. Сначала специалисты думали о каких-то неизвестных моллюсках или даже странно себя ведущих какашках. Правда же изумила, ибо загадочные кучки оказались шаровидными простейшими диаметром до 3 сантиметров. Которые катились по дну морскому в почти нулевой температуры воде.

Багамская громия является амебоподобным организмом, имеющим раковину, мягкую и пористую. В отверстия в оной просовываются псевдоподии, с помощью чего громия перемещается по дну, питаясь органикой, попавшейся по пути.

Открытие этого существа изменило некоторые взгляды на эволюцию живых существ, поскольку ранее считалось, что первыми еще в докембрийскую старину научились ползать многоклеточные животные с двусторонней симметрией. А следы, которые оставляет громия, весьма похожи на древние окаменелые отпечатки, которым почти 2 миллиарда лет.

К сожалению, мало что известно об этих мячиках с цитоплазмой, потому что доставить в лабораторию живые экземпляры громий очень трудно. Несмотря на свои раковины, простейшие весьма хрупки и уязвимы. Ученые говорят, что они гораздо мягче ягод винограда, на которые эти гиганты-микробы чем-то похожи.

Ацетабулярия

Известная как «русалочий бокал», ацетабулярия представляет собой уникальный род зеленых водорослей, подобных по форме шляпочным грибам. Эти растения мелководья тропических морей бывают до 10 см в длину и растут обычно группами, крепясь ножками к донным камням и красуясь своими светло-зелеными шапочками.

Обычно крупные одноклеточные существа имеют более одного ядра, чего не скажешь об удивительной ацетабулярии, которая большую часть жизни проводит всего с одним гигантским вместилищем ДНК, расположенным в основе своего «стебелька». Только в час размножения образуются добавочные ядра, мигрирующие в верхушку водоросли, где они превращаются в спороподобные цисты, кои после зимовки и сложной трансформации становятся молодыми ацетабуляриями. Жизненный цикл этих колоссальных ценоцитов составляет около трех лет.

В ходе экспериментов, проведенных за деньги нацистов в 1930-х и 40-х годах немецким ученым Иоахимом Хаммерлингом, было установлено, что после пересадки одному виду ацетабулярии ядра водоросли другого вида исходное растение начинает формировать новую шляпку, преображаясь в необычный гибрид.

Кроме того, «бокал, из которого пьют русалки» прекрасно регенерирует, будучи поврежденным, чем весьма напоминает некоторые многоклеточные виды мира флоры и фауны.

Пузатая валония

Одни кличут эту забавную мелководную тварь «глазом моряка», другие - просто «водорослью-пузырем». Валония пузатая без труда вырастает до 4 см в диаметре и даже больше, один организм - одна живая клетка со многими ядрами, чаще всего территориально одинокая и всегда похожая на отполированный камушек зеленоватого окраса. Иногда на поверхности этого одноклеточного морского чуда приживаются и мелкие «многоклеточники».

Несмотря на биологическую странность и экзотический облик водоросли, пузатую валонию не жалуют владельцы больших морских аквариумов. Если растение случайно вселится, то захватит всё дно, от него ужасно трудно избавиться. Давить или рвать на части сей живучий сорняк - не дело, ибо именно клеточным делением пузатая валония с ее «коллекцией» ядер и размножается.

Каулерпа тиссолистная

Про неё можно подумать, будто это какой-то папоротник, однако по сути своей сие растение гораздо проще. И значительно решительнее в росте. То, что неопытному ныряльщику покажется зарослями подводной флоры, на деле окажется одной или всего несколькими живыми клетками, «маскирующимися» под сложные многоклеточные кущи. Эти примитивные создания называются «каулерпа таксифолия», или просто каулерпа-ёлочка, удивительный ползучий стебель тиссолистный. Одна клетка этой зеленой водоросли с её бесчисленными хранилищами ДНК может очень быстро раздаться почти на три метра вширь, что регулярно происходит в Средиземном море, разрушая здоровую экологию тамошних глубин. За что каулерпа-елочка признана особо злостным сорняком. В Калифорнии этот «микроб-гигант» вообще считается незаконным видом.

Средиземноморская разновидность тиссолистной каулерпы, клетки которой достигают рекордных габаритов, своим статусом вредителя обязана человеку. Еще полвека назад эта необычная водоросль в Средиземном море не обитала совсем. Но в 1970-х некий аквариум в Германии заказал из тропиков образцы каулерпы, но не просто для красоты и несложного ухода. Пытливые немцы подвергли «елочку» техническим издевательствам. Макрофит облучали ультрафиолетом и обрабатывали химическими мутагенами. В результате получился одноклеточный монстр, очень быстро растущий и устойчивый к понижению температуры обитания. Холодостойкую и симпатичную с виду водоросль в 1980 году выпустили в Средиземное море - кто-то из аквариумистов-любителей из Монако постарался.

За четыре года случилось неминуемое. После бегства из аквариума мутировавшая каулерпа победоносно оккупировала прибрежные воды Средиземноморья. В отличие от природного собрата, клетка-мутант оказалась не только агрессивной, но и устойчивой к загрязнениям. К тому же, способной регенерировать из кусочка размером всего в сантиметр. И ядовитой. Попытки очистить от зарослей каулерпы курортное мелководье провалились.

Поэтому в конце 20 века за одноклеточным организмом «каулерпа таксифолия» закрепилось прозвище «водоросль-убийца». Растение включено в сотню наиболее опасных инвазивных видов, остановить распространение коих - священный долг каждого неравнодушного землянина.

Амёба Хаос

Вообразите амёбу из школьного учебника. Увеличьте её до размеров кунжутного зернышка. У вас получится существо Chaos carolinensis. Поскольку такие простейшие постоянно меняют форму, то рекордсмены среди хаосов способны вытягиваться до 5 мм в длину. Столь грузных одноклеточных можно фатально ранить, просто накрыв предметным стеклышком микроскопа.

Несмотря на свои внушительные размеры, Chaos carolinensis ведёт себя так же, как его микроскопические родственники, носители ложноножек. С помощью псевдоподий хаосы перемещаются, ими же хватают еду. Затем еда в вакуолях переваривается живьем, а остатки мусором выбрасываются из клетки наружу. Питается громадная амеба микробами других видов, а также мелкими животными вроде ветвистоусых рачков. Хаос будет есть почти нон-стоп до тех пор, пока не станет готов к размножению.

Подобно соседям по списку великанов мира микробов, одноклеточный хаос имеет множество контрольных центров, просто потому, что управлять столь массивной клеткой одно ядро не в силах. В зависимости от размера, Chaos carolinensis может обладать до 1000 ядер.

Спиростомум

Инфузорию спиростомум можно найти и узреть как в пресных, так и в соленых водах. И принять за какого-то маленького червячка. Вытянутое тельце спиростомума достигает в длину 4 миллиметров. Лишь при взгляде в окуляр микроскопа становится ясно, что это подвижное существо - одна большая и очень длинная клетка, покрытая густым лесом ресничек.

Спиростомум - чемпион мира микробов по способности к изменению объема тела. Будучи потревоженной, инфузория может ужаться на 75% за время менее 1/200 секунды - быстрее, чем любая иная живая клетка.

В отличие от прожорливых инфузорий-трубачей, спиростомум не ест многоклеточных существ, а обходится лишь бактериями. Размножаются великаны простым делением и очень не любят, если в воде имеются тяжелые металлы, что делает этих инфузорий друзьями экологов.

Сирингаммина хрупчайшая

Еще один нелишний кандидат на звание крупнейшего одноклеточного существа на Земле - хрупкий «монстр» из класса ксенофиофор. В этот класс «носящих чужие тела» организмов входит множество жителей океанского дна, сгустков цитоплазмы, строящих для себя в вечной ночи непрочные плетеные «домики» из останков иных тварей, например, губок или радиолярий. Строительный клей клетки ксенофиофор делают сами, по командам, поступающим химически из многочисленных ядер, что плавают в массивных сгустках цитоплазмы. Самый крупный из таких сгустков достигает 20-сантиметровых размеров, охотно колонизируется червями и носит видовое имя Syringammina fragilissima.

К сожалению, жизнь и биология сирингаммины («песчаной флейты Пана» в переводе) до сих пор мало изучена. Ученые подозревает, что питается это одноклеточное бактериями, но как выглядит сам процесс, никто не видел. Есть мнение, что микробов для своего рациона сирингаммина хрупчайшая выращивает сама внутри себя. Механизм размножения этих ризарий также неясен.

Открыли хрупких глубоководных существ в 1882 году шотландцы, у родных североморских берегов. Впоследствии сирингаммин нашли и на шельфе севера Африки.

Имя им легион…

Среди наземных одноклеточных гигантов особого внимания заслужили, конечно, слизевики метровой длины, обитатели мертвой древесины. Которых поначалу и долгое время принимали за грибы.

Однако слизевики (в частности, многоголовый фузариум) оказались не только примитивнее, но и в чем-то гораздо умнее грибов. Об интересных выводах японских ученых на сей счет можно прочитать в материале .

Попытки отсеквенировать геном гигантской серной бактерии Achromatium oxaliferum дали парадоксальный результат: оказалось, что каждая бактериальная клетка содержит не один, а множество различающихся геномов. Уровень внутриклеточного генетического разнообразия A. oxaliferum сопоставим с разнообразием многовидового бактериального сообщества. По-видимому, различающиеся хромосомы размножаются в разных участках цитоплазмы, подразделенной крупными кальцитовыми включениями на множество слабо сообщающихся отсеков (компартментов). Важную роль в поддержании внутреннего генетического разнообразия играют многочисленные мобильные генетические элементы, способствующие переносу генов с хромосомы на хромосому. Авторы открытия предполагают, что естественный отбор у этого уникального организма идет не столько на уровне клеток, сколько на уровне отдельных компартментов внутри одной гигантской клетки.

1. Загадочная бактерия

Гигантская серная бактерия Achromatium oxaliferum была открыта еще в XIX веке, однако ее биология до сих пор остается загадочной - во многом потому, что ахроматиум не поддается культивированию в лаборатории. Клетки ахроматиума могут достигать 0,125 мм в длину, что делает его крупнейшей из пресноводных бактерий (в морях есть еще более крупные серные бактерии, такие как Thiomargarita , о которой рассказано в новости Древнейшие докембрийские эмбрионы оказались бактериями? , «Элементы», 15.01.2007).

Achromatium oxaliferum живет в донных осадках пресных озер, где он обычно встречается на границе кислородной и бескислородной зон, но проникает и в полностью бескислородные слои. Другие разновидности (или виды) ахроматиума обитают в минеральных источниках и в соленых осадках приливно-отливных маршей .

Ахроматиум получает энергию за счет окисления сероводорода сначала до серы (которая хранится в виде гранул в цитоплазме), а затем и до сульфатов. Он способен к фиксации неорганического углерода, но может усваивать и органические соединения. Неясно, способен ли он обходиться только автотрофным метаболизмом или ему необходима органическая подкормка.

Уникальной особенностью ахроматиума является наличие в его клетках многочисленных крупных включений коллоидного кальцита (рис. 1). Зачем это нужно бактерии и какую роль играет карбонат кальция в его метаболизме, точно не известно, хотя есть правдоподобные гипотезы (V. Salman et al., 2015. Calcite-accumulating large sulfur bacteria of the genus Achromatium in Sippewissett Salt Marsh).

Цитоплазма ахроматиума ютится в просветах между кальцитовыми гранулами, которые фактически подразделяют ее на множество сообщающихся отсеков (компартментов). Хотя отсеки и не изолированы полностью, обмен веществом между ними, по-видимому, затруднен, тем более что у прокариот гораздо слабее, чем у эукариот, развиты системы активного внутриклеточного транспорта.

И вот теперь выяснилось, что кальцитовые гранулы - не единственная уникальная особенность ахроматиума. И даже не самая поразительная. В статье, опубликованной в журнале Nature Communications , немецкие и британские биологи сообщили о парадоксальных результатах, к которым привели попытки прочесть геномы индивидуальных клеток A. oxaliferum из донных отложений озера Штехлин (Stechlin) на северо-востоке Германии. Результаты эти настолько необычны, что в них трудно поверить, хотя оснований сомневаться в их достоверности, по-видимому, нет: работа выполнена в методологическом отношении очень тщательно.

2. Подтверждение полиплоидности

Хотя ахроматиум, как уже говорилось, относится к некультивируемым бактериям, это неудобство отчасти компенсируется гигантскими размерами клеток. Их отлично видно в световой микроскоп даже при небольшом увеличении, и их можно отбирать вручную из проб донных осадков (предварительно пропущенных через фильтр, чтобы удалить крупные частицы). Именно так авторы и собирали материал для своего исследования. Клетки A. oxaliferum покрыты органическим чехлом, на поверхности которого кишат разнообразные сожители - мелкие бактерии. Всю эту сопутствующую микробиоту авторы тщательно смывали с отобранных клеток, чтобы уменьшить долю посторонней ДНК в пробах.

Для начала исследователи покрасили клетки ахроматиума специальным флуоресцентным красителем для ДНК, чтобы понять, сколько в клетке генетического материала и как он распределен. Оказалось, что молекулы ДНК не приурочены к какому-то одному участку цитоплазмы, а образуют множество (в среднем около 200 на клетку) локальных скоплений в просветах между гранулами кальцита (рис. 1, b, d).

Учитывая всё, что известно на сегодняшний день о крупных бактериях и их генетической организации, этого факта уже достаточно, чтобы считать доказанным, что A. oxaliferum является полиплоидом, то есть в каждой его клетке содержится не одна, а множество копий генома.

Впрочем, задним числом и так понятно, что такая огромная прокариотическая клетка не могла бы обойтись единственной копией. Ее бы просто не хватило, чтобы обеспечить всю клетку необходимыми для синтеза белка транскриптами .

Судя по тому, что скопления ДНК различаются по яркости флуоресценции, эти скопления, скорее всего, содержат разное количество хромосом. Здесь нужно оговориться, что обычно весь геном прокариотической клетки помещается на одной кольцевой хромосоме. Для ахроматиума это не доказано, но весьма вероятно. Поэтому авторы для простоты пользуются термином «хромосома» как синонимом термина «одна копия генома», и мы поступим так же.

На данном этапе ничего сенсационного еще не было обнаружено. Прошли те времена, когда все думали, что у прокариот всегда или почти всегда только одна кольцевая хромосома в каждой клетке. Сегодня уже известно много видов полиплоидных бактерий и архей (см. , «Элементы», 14.06.2016).

3. Метагеном многовидового сообщества - в одной клетке

Чудеса начались, когда авторы приступили к выделению ДНК из отобранных и отмытых клеток и к секвенированию. Из 10 000 клеток был получен метагеном (см. Метагеномика), то есть множество (около 96 млн) коротких отсеквенированных случайных фрагментов хромосом (ридов), принадлежащих разным индивидуумам и в совокупности дающих представление о генетическом разнообразии популяции.

Затем исследователи приступили к секвенированию ДНК из индивидуальных клеток. Сначала из 27 клеток были выделены фрагменты гена 16s-рРНК, по которому принято классифицировать прокариот и по которому обычно определяют присутствие того или иного вида микробов в анализируемой пробе. Практически все выделенные фрагменты принадлежали ахроматиуму (то есть примерно совпадали с последовательностями 16s-рРНК ахроматиума, уже имеющимися в генетических базах данных). Из этого следует, что изучаемая ДНК не была загрязнена генетическим материалом каких-то посторонних бактерий.

Оказалось, что каждая клетка A. oxaliferum, в отличие от подавляющего большинства других прокариот, содержит не один, а несколько различающихся вариантов (аллелей) гена 16s-рРНК. Точное число вариантов определить трудно, потому что мелкие различия могут объясняться ошибками секвенирования, а если считать «разными» только сильно различающиеся фрагменты, то встает вопрос, насколько сильно они должны различаться. С использованием самых строгих критериев получилось, что в каждой клетке присутствует примерно 4–8 разных аллелей гена 16s-рРНК, причем это минимальная оценка, а на самом деле их, скорее всего, больше. Это резко контрастирует с ситуацией, характерной для других полиплоидных прокариот, у которых, как правило, на всех хромосомах одной клетки сидит один и тот же вариант данного гена.

Более того, оказалось, что аллели гена 16s-рРНК, присутствующие в одной и той же клетке A. oxaliferum , нередко образуют весьма далекие друг от друга веточки на общем генеалогическом дереве всех вариантов этого гена, обнаруженных (ранее и сейчас) у A. oxaliferum. Иными словами, аллели 16s-рРНК из одной клетки не более родственны друг другу, чем аллели, взятые наугад из разных клеток.

Наконец, авторы провели тотальное секвенирование ДНК из шести индивидуальных клеток. Для каждой клетки было прочтено примерно по 12 млн случайных фрагментов - ридов. В нормальной ситуации этого с избытком хватило бы, чтобы при помощи специальных компьютерных программ собрать из ридов, используя их перекрывающиеся части, шесть весьма качественных (то есть прочтенных с очень высоким покрытием, см. Coverage) индивидуальных геномов.

Но не тут-то было: хотя практически все риды бесспорно принадлежали ахроматиуму (примесь посторонней ДНК была пренебрежимо малой), прочтенные фрагменты наотрез отказались собираться в геномы. Дальнейший анализ прояснил причину неудачи: оказалось, что фрагменты ДНК, выделенные из каждой клетки, в действительности принадлежат не одному, а множеству довольно сильно различающихся геномов. Фактически то, что авторы получили из каждой отдельной клетки, представляет собой не геном, а метагеном. Подобные наборы ридов обычно получают при анализе не одного организма, а целой популяции, обладающей к тому же высоким уровнем генетического разнообразия.

Этот вывод был подтвержден несколькими независимыми способами. В частности, известны десятки генов, которые практически всегда присутствуют в бактериальных геномах в единственном экземпляре (single copy marker genes). Эти однокопийные маркерные гены широко используются в биоинформатике для проверки качества сборки геномов, оценки числа видов в метагеномных пробах и других подобных задач. Так вот, в геномах (или «метагеномах») индивидуальных клеток A. oxaliferum большая часть этих генов присутствует в виде нескольких различающихся копий. Как и в случае с 16s-рРНК, аллели этих однокопийных генов, находящиеся в одной клетке, как правило, не более родственны друг другу, чем аллели из разных клеток. Уровень внутриклеточного генетического разнообразия оказался сопоставим с уровнем разнообразия всей популяции, оцененным на основе метагенома 10 000 клеток.

Современная метагеномика уже располагает методами, позволяющими из множества разнородных обрывков ДНК, обнаруженных в пробе, выделить фрагменты, с большой вероятностью принадлежащие одному и тому же геному. Если таких фрагментов наберется достаточно много, то из них можно собрать значительную часть генома и даже полный геном. Именно таким способом недавно был открыт и подробно охарактеризован новый надтип архей - асгардархеи (см. Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот , «Элементы», 16.01.2017). Авторы применили эти методы к «метагеномам» индивидуальных клеток A. oxaliferum. Это позволило выявить в каждом «метагеноме» по 3–5 наборов генетических фрагментов, соответствующих, скорее всего, индивидуальным кольцевым геномам (хромосомам). Или, скорее, каждый такой набор соответствует целой группе похожих друг на друга геномов. Число различающихся геномов в каждой клетке A. oxaliferum скорее всего больше, чем 3–5.

Уровень различий между геномами, присутствующими в одной и той же клетке A. oxaliferum , примерно соответствует межвидовому: бактерии с таким уровнем различий, как правило, относятся к разным видам одного рода. Иными словами, генетическое разнообразие, присутствующее в каждой отдельной клетке A. oxaliferum, сопоставимо даже не с популяцией, а с многовидовым сообществом. Если бы ДНК из одной-единственной клетки ахроматиума анализировали современными методами метагеномики «вслепую», не зная, что вся эта ДНК происходит из одной клетки, то анализ бы однозначно показал, что в пробе присутствует несколько видов бактерий.

4. Внутриклеточный перенос генов

Итак, у A. oxaliferum обнаружен принципиально новый, прямо-таки неслыханный тип генетической организации. Безусловно, открытие порождает массу вопросов, и прежде всего вопрос «как такое вообще может быть?!»

Не будем рассматривать самый неинтересный вариант, состоящий в том, что всё это - результат грубых ошибок, допущенных исследователями. Если так, мы скоро об этом узнаем: Nature Communications - журнал серьезный, исследование захотят повторить другие коллективы, так что вряд ли опровержение заставит себя долго ждать. Гораздо интереснее обсудить ситуацию, исходя из допущения, что исследование проведено тщательно и результат достоверен.

В таком случае нужно прежде всего попытаться выяснить причины обнаруженного у A. oxaliferum беспрецедентного внутриклеточного генетического разнообразия: как оно формируется, почему оно сохраняется, и как сам микроб при этом ухитряется выжить. Все эти вопросы - очень непростые.

У всех остальных изученных на сегодняшний день полиплоидных прокариот (в том числе у известной читателям «Элементов» солелюбивой археи Haloferax volcanii ) все копии генома, присутствующие в клетке, сколько бы их ни было, очень похожи друг на друга. Ничего похожего на колоссальное внутриклеточное разнообразие, обнаруженное у A. oxaliferum, у них не наблюдается. И это отнюдь не случайность. Полиплоидность дает прокариотам ряд преимуществ, однако она способствует бесконтрольному накоплению рецессивных вредных мутаций, что в конечно счете может привести к вымиранию (подробнее см. в новости Полиплоидность предков эукариот - ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза , «Элементы», 14.06.2016).

Чтобы избежать накопления мутационного груза, полиплоидные прокариоты (и даже полиплоидные пластиды растений) активно используют генную конверсию - асимметричный вариант гомологичной рекомбинации , при котором два аллеля не меняются местами, переходя с хромосомы на хромосому, как при кроссинговере , а один из аллелей замещается другим. Это ведет к унификации хромосом. Благодаря интенсивной генной конверсии вредные мутации либо быстро «затираются» неиспорченной версией гена, либо переходят в гомозиготное состояние, проявляются в фенотипе и отбраковываются отбором.

У A. oxaliferum генная конверсия и унификация хромосом, скорее всего, тоже происходят, но не в масштабах всей клетки, а на уровне отдельных «компартментов» - просветов между гранулами кальцита. Поэтому в разных частях клетки накапливаются разные варианты генома. Авторы проверили это при помощи избирательного окрашивания разных аллельных вариантов гена 16s-рРНК (см. Fluorescent in situ hybridization). Выяснилось, что в разных частях клетки концентрация разных аллельных вариантов действительно различается.

Впрочем, этого еще недостаточно, чтобы объяснить высочайший уровень внутриклеточного генетического разнообразия, обнаруженный у A. oxaliferum . Авторы видят его главную причину в высоких темпах мутагенеза и внутриклеточных геномных перестроек. Сравнение фрагментов хромосом из одной и той же клетки показало, что эти хромосомы, по-видимому, живут очень бурной жизнью: постоянно мутируют, перестраиваются и обмениваются участками. У A. oxaliferum из озера Штехлин резко повышено число мобильных генетических элементов по сравнению с другими бактериями (в том числе и с ближайшими родственниками - ахроматиумами из соленых маршей, у которых уровень внутриклеточного разнообразия, судя по предварительным данным, гораздо ниже). Активность мобильных элементов способствует частым геномным перестройкам и переносу участков ДНК с одной хромосомы на другую. Авторы даже придумали для этого специальный термин: «внутриклеточный перенос генов» (intracellular gene transfer, iGT), по аналогии со всем известным горизонтальным переносом генов (HGT).

Одно из ярких свидетельств частых перестроек в хромосомах A. oxaliferum - различающийся порядок генов в разных версиях генома, в том числе и в пределах одной клетки. Даже в некоторых консервативных (редко меняющихся в ходе эволюции) оперонах отдельные гены иногда располагаются в разной последовательности на разных хромосомах в пределах одной клетки.

На рисунке 2 схематично показаны основные механизмы, которые, по мнению авторов, создают и поддерживают высокий уровень внутриклеточного генетического разнообразия у A. oxaliferum .

5. Внутриклеточный отбор

Частые перестройки, внутриклеточный перенос генов, высокий темп мутагенеза - даже если всё это и может худо-бедно объяснить высокое внутриклеточное генетическое разнообразие (а я думаю, что не может, об этом мы поговорим ниже), то остается неясным, как ухитряется ахроматиум в таких условиях сохранять жизнеспособность. Ведь подавляющее большинство ненейтральных (влияющих на приспособленность) мутаций и перестроек должны быть вредными! Полиплоидные прокариоты и без того обладают повышенной склонностью к накоплению мутационного груза, а если мы допустим еще и сверхвысокие темпы мутагенеза, становится и вовсе непонятно, как такая тварь, как ахроматиум, может существовать.

И тут авторы выдвигают поистине новаторскую гипотезу. Они предполагают, что естественный отбор у ахроматиума действует не столько на уровне целых клеток, сколько на уровне отдельных компартментов - слабо сообщающихся просветов между гранулами кальцита, в каждом из которых, наверное, размножаются свои варианты генома.

На первый взгляд предположение может показаться диким. Но если подумать, почему бы и нет? Для этого достаточно допустить, что каждая хромосома (или каждое локальное скопление похожих хромосом) имеет ограниченный «радиус действия», то есть белки, закодированные в этой хромосоме, синтезируются и работают в основном в ее ближайших окрестностях, а не размешиваются равномерно по всей клетке. Скорее всего, так оно и есть. В таком случае те компартменты, где находятся более удачные хромосомы (содержащие минимум вредных и максимум полезных мутаций), будут быстрее реплицировать свои хромосомы, их будет становиться больше, они начнут распространяться внутри клетки, постепенно вытесняя менее удачные копии генома из соседних компартментов. Вообразить такое в принципе можно.

6. Внутриклеточное генетическое разнообразие нуждается в дополнительных объяснениях

Идея об интенсивном внутриклеточном отборе геномов, отвечая на один вопрос (почему ахроматиум не вымирает при таком высоком темпе мутагенеза), тут же создает другую проблему. Дело в том, что благодаря такому отбору более удачные (быстрее реплицирующиеся) копии генома должны вытеснять внутри клетки менее удачные копии, неизбежно снижая при этом внутриклеточное генетическое разнообразие. То самое, которое мы с самого начала хотели объяснить.

Более того, очевидно, что внутриклеточное генетическое разнообразие должно резко снижаться при каждом клеточном делении. Разные хромосомы сидят в разных компартментах, поэтому при делении каждая дочерняя клетка получит не все, а только некоторые варианты генома, имеющиеся у материнской клетки. Это видно даже на рис. 2.

Внутриклеточный отбор плюс компартментализация геномов - два мощных механизма, которые должны сокращать внутреннее разнообразие настолько быстро, что никакой мыслимый (совместимый с жизнью) темп мутагенеза не сможет этому противостоять. Таким образом, внутриклеточное генетическое разнообразие остается необъясненным.

Обсуждая полученные результаты, авторы неоднократно ссылаются на нашу работу, о которой рассказано в новости Полиплоидность предков эукариот - ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза . В частности, они упоминают, что полиплоидным прокариотам очень полезно обмениваться генетическим материалом с другими клетками. Однако они полагают, что в жизни ахроматиума межклеточный генетический обмен не играет большой роли. Это обосновывается тем, что в метагеноме ахроматиума хотя и обнаружены гены для поглощения ДНК из внешней среды (трансформации, см. Transformation), но нет генов для конъюгации (см. Bacterial conjugation).

На мой взгляд, генетическая архитектура ахроматиума указывает не на конъюгацию, а на более радикальные способы смешивания генетического материала разных особей, такие как обмен целыми хромосомами и слияние клеток. Судя по полученным данным, с генетической точки зрения клетка A. oxaliferum представляет собой нечто вроде прокариотического плазмодия или синцития, вроде тех, что образуются в результате слияния множества генетически разнородных клеток у слизевиков . Напомним, что ахроматиум - бактерия некультивируемая, поэтому не исключено, что какие-то элементы ее жизненного цикла (такие как периодическое слияние клеток) могли ускользнуть от внимания микробиологов.

В пользу того, что внутриклеточное генетическое разнообразие ахроматиума формируется не внутриклеточно, свидетельствует один из главных фактов, обнаруженных авторами, а именно то, что находящиеся в одной клетке аллели многих генов образуют далекие друг от друга ветви на филогенетическом дереве. Если бы всё внутриклеточное разнообразие аллелей формировалось внутри клонально размножающихся клеток, не меняющихся друг с другом генами, то следовало бы ожидать, что аллели в пределах клетки будут более родственны друг другу, чем аллели из разных клеток. Но авторы убедительно показали, что это не так. В общем, я бы поставил на то, что в жизненном цикле ахроматиума присутствует слияние клеток. Это представляется самым экономным и правдоподобным объяснением колоссального внутриклеточного генетического разнообразия.

В заключительной части статьи авторы намекают, что генетическая архитектура ахроматиума может пролить свет на происхождение эукариот. Они формулируют это так: «Между прочим, Марков и Казначеев предположили, что, подобно ахроматиуму из озера Штехлин, клетки прото-эукариот могли быть быстро мутирующими, разнообразящими свои хромосомы, полиплоидными бактериями/археями ». Совершенно верно, но мы также показали, что такое существо не могло бы выжить без интесивного межорганизменного генетического обмена. Будем надеяться, что дальнейшие исследования прольют свет на оставшиеся неразгаданными загадки ахроматиума.