Доклеточные формы жизни

Подавляющее большинство ныне живущих организмов состоит из клеток. Лишь немногие примитивнейшие организмы — вирусы и фаги — не имеют клеточного строения. По этому важнейшему признаку все живое делится на две империи — доклеточных (вирусы и фаги) и клеточных (сюда относятся все остальные организмы: бактерии и близкие к ним группы; грибы; зеленые растения; животные).

Представление о том, что все живое делится на два царства — животных и растений, ныне устарело. Современная биология признает разделение на пять царств: прокариот, или дробянок, зеленых растений, грибов, животных; отдельно выделяется царство вирусов — доклеточных форм жизни.

Доклеточные формы жизни — вирусы и фаги

Империя доклеточных состоит из единственного царства — вирусов. Это мельчайшие организмы, их размеры колеблются от ‘2 до 500 мкм. Лишь самые крупные вирусы (например, вирус оспы) можно увидеть при очень большом увеличении (в 1800—2200 раз) оптического микроскопа. Размеры мелких вирусов равны крупным молекулам белка. Большинство вирусов так мелки, что могут проходить через поры специальных бактериальных фильтров.

Вирусы принципиально отличаются от всех других организмов. Назовем их важнейшие особенности:

1. Они могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не могут размножаться вне клеток тех организмов, в которых они паразитируют.

2. Содержат лишь один из типов нуклеиновых кислот — либо РНК, либо ДНК (все клеточные организмы содержат и ДНК, и РНК одновременно).

3. Имеют очень ограниченное число ферментов, используют обмен веществ хозяина, его ферменты, энергию, полученную при обмене веществ в клетках хозяина.

4. Зрелые вироспоры («споры» вирусов) могут существовать вне клетки хозяина, в этот период они не обнаруживают никаких признаков жизни.

В настоящее время известно около 200 форм животных вирусов, 170 растительных вирусов и 50 вирусов, паразитирующих в бактериях.

Вирусы впервые были открыты в 1892 г. выдающимся русским биологом Д. И. Ивановским, который стал основателем новой биологической дисциплины — вирусологии.

Происхождение вирусов

Вопрос о происхождении вирусов неясен. Согласно одной точке зрения вирусы — древнейшие организмы Земли. Однако вирусы не могут жить, не паразитируя на более высокоорганизованных организмах. Вот почему большинство ученых не согласны с тем, что вирусы — древнейшие формы жизни на Земле.

Согласно другой точке зрения вирусы — это потомки предъядерных сине-зеленых и бактерий, испытавших сильное упрощение в связи с переходом к паразитизму. Утрата многих биологически важных свойств, согласно этой точке зрения, рассматривается как вторичное явление.

Существует и третья точка зрения- Вирусы рассматриваются как «заблудившиеся» или «одичавшие» гены. В самом деле, участок молекулы ДНК (ген) кодирует синтез того или иного белка. Энергия, необходимая для синтеза белка, как известно, поставляется извне от своеобразных энергетических станций клетки — митохондрий. Эти энергетические станции отсутствуют у вирусов, вследствие чего для синтеза белковой оболочки необходимо использовать энергию, вырабатываемую той клеткой, в которой они паразитируют. Несомненное сходство функционирования гена и нуклеиновых кислот вируса дает основание рассматривать их как производные «заблудившихся» или «одичавших» генов-Роль вирусов в эволюции клеточных организмов. Данные, накопленные в середине 70-х годов, говорят о том, что вирусы могут играть большую роль в эволюции клеточных организмов, в клетках которых они паразитируют,— прокариот, растений и животных.

Во-первых, было обнаружено, что вирусы — мощный мутаген-ный фактор. После вирусных заболеваний (инфекционная желтуха, корь, грипп, энцефалит и др.) у человека и животных резко возрастает число поврежденных хромосом. Таким образом, вирусы являются поставщиками новых мутаций для естественного отбора. Во-вторых, геном вируса может включаться в геном хозяина и вирусы могут переносить генетическую информацию не только от одной особи данного вида к другой, но и от одного вида к другому- Экспериментально показано, что с помощью вирусов участки ДНК от одного вида могут передаваться другому виду.

Клеточные организмы

Организмы с клеточным строением объединяются в империю клеточных, или кариот (от греч. ка-рион — ядро). Типичная структура клетки, свойственная большинству организмов, возникла не сразу. В клетке представителей древнейших из современных типов организмов (сине-зеленых и бактерий) цитоплазма и ядерный материал с ДНК еще не отделены друг от друга.

По наличию или отсутствию ядра клеточные организмы делят на два надцарстса: безъядерные (прокариоты) и ядерные (эука-риоты) (от греч. протос — первый и эу — собственно, настоящий). К первой группе относят сине-зеленых и бактерий, ко второй — всех животных, зеленые растения и грибы.

Надцарство прокариот

К прокариотам относят наиболее просто устроенные формы клеточных организмов. ДНК прокариот образует одну двойную спиралевидную нить, которая замкнута в кольцо. Эта кольцевидная нить ДНК состоит из значительного числа генов, но это еще не настоящая хромосома, которая появляется только у эукариот. В связи с тем, что ДНК представлена единственной нитью, существует лишь одна группа сцепления генов.

Вот основные признаки прокариот:

— кольцевидная ДНК сосредоточена в центральной части клетки, не отделенной ядерной оболочкой от остальной части клетки;

— отсутствуют митохондрий;

— они лишены пластид;

— клеткам прокариот несвойствен митоз;

— нет центриолей;

— отсутствуют хромосомы;

— не сформированы веретена;

— нет пищеварительных вакуолей; отсутствуют настоящие жгутики; неизвестен настоящий половой процесс; гаметы не образуются.

Надцарство прокариот состоит из единственного царства дробянок, куда входят два полцарства: сине-зеленые и бактерии-

Прокариоты: надцарство и тип сине-зеленых

К сине-зеленым относится 1400 современных видов. В клетках сине-зеленых нет не только ядра, но и нет хроматофоров — клеточных образований, содержащих пигменты и принимающих участие в фотосинтезе, нет вакуолей. В центральной плотной части клеток сине-зеленых сосредоточены нукл еопротеиды — соединения нуклеиновых кислот с белком.

Сине-зеленые замечательны тем, что способны использовать азот воздуха и превращать его в органические формы азота. При фотосинтезе они могут использовать углекислый газ как единственный источник углерода. В отличие от фотосинтезирую-щих бактерий сине-зеленые при фотосинтезе выделяют молекулярный кислород.

В периферической части клеток диффузно распределены синий и бурый пигменты, определяющие в сочетании с хлорофиллом сине-зеленый цвет этих организмов. Некоторые сине-зеленые могут иметь дополнительные пигменты, изменяющие их характерный цвет до черного, коричневого, красного. Цвет Красного моря определяется широким распространением в нем пурпурно пигментированных сине-зеленых.

Сине-зеленые могут использовать как солнечную энергию (автотрофность), так и энергию, выделяющуюся при расщеплении готовых органических веществ (гетеротрофность). Размножаются сине-зеленые только бесполым путем.

Сине-зеленые представлены не только одноклеточными, но и колониальными, нитчатыми и многоклеточными формами. Однако, зеленые пигменты — хлорофиллы существуют в виде четырех форм, слегка отличных ни химическому составу: многоклеточные ядерные организмы произошли не от многоклеточных сине-зеленых, а от одноклеточных ядерных форм. Таким образом, у сине-зеленых впервые отмечается попытка прорыва на следующий этап — на уровень многоклеточности. Однако эта попытка не имела особых последствий для эволюции. Сине-зеленые—древнейшие организмы Земли. Однако и поныне они играют большую роль в круговоротах веществ и энергии.

Прокариоты: бактерии

В настоящее время известно около 3000 видов бактерий. Часть бактерий способна прямо утилизировать солнечную энергию (автотрофы), другие (гетеротрофы) получают энергию, используя органические вещества. Среди автотрофных бактерий есть фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. Солнечную энергию способны использовать и аккумулировать зеленые и пурпурные бактерии. У зеленых бактерий окраска определяется особым веществом — бактериохлорофиллом, а не хлорофиллом а, как у сине-зеленых. Нет синего и бурого пигментов при фотосинтезе не выделяется.

Хемосинтез, т. е. использование энергии окислительных процессов неорганических веществ, распространен лишь среди некоторых бактерий. Серобактерии способны окислять сероводород до серы. Нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в азот и азотную кислоту. Преобладание азота в современной атмосфере — следствие деятельности нитрифицирующих бактерий. Железобактерии превращают закисное железо в окисное.

Среди гетеротрофных бактерий одна часть использует энергию процессов брожения. Конечным продуктом процесса брожения являются органические кислоты. Наиболее известны молочнокислые, маслянокислые и уксуснокислые бактерии. Другая часть гетеротрофных бактерий — гнилостные бактерии — используют энергию, высвобождающуюся при расщеплении белков. Конечный продукт распада при таких гнилостных процессах — азотные соединения, в последующем окислении которых принимают участие нитрифицирующие бактерии.

Бактерии, как и сине-зеленые, существовали уже около 3 млрд. лет назад и играли огромную роль в создании современного состава атмосферы, в изменении лика Земли.

Вопрос о происхождении бактерий до конца неясен. Несомненно, что ряд бактерий возник непосредственно от сине-зеленых. Известны бактерии, очень близкие к сине-зеленым, отличающиеся от последних лишь отсутствием пигмента.