План
Питание микробов.
Дыхание микроорганизмов
Рост и размножение микробов.
Образование микроорганизмами пигментов, фотогенных и ароматических веществ.
Ферменты бактерий.
Культивирование бактерий.
Физиология изучает жизненные функции микроорганизмов: питание, дыхание, рост и размножение. В основе физиологических функций лежит непрерывный обмен веществ (метаболизм).
Сущность обмена веществ составляют два противоположных и вместе с тем взаимосвязанных процесса: ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм).
В процессе ассимиляции происходит усвоение питательных веществ и использование их для синтеза клеточных структур. При процессах диссимиляции питательные вещества разлагаются и окисляются, при этом выделяется энергия, необходимая для жизни микробной клетки. В результате распада питательных веществ происходит расщепление сложных органических соединений на более простые, низкомолекулярные. Часть из них выводится из клетки, а другие снова используются клеткой для биосинтетических реакций и включаются в процессы ассимиляции. Все процессы синтеза и распада питательных веществ совершаются с участием ферментов.
Особенностью микроорганизмов является интенсивный обмен веществ. За сутки при благоприятных условиях одна микробная клетка может переработать такое количество питательных веществ, которое в 30-40 раз больше ее массы.
Питание микробов.
По типу питания микробы делятся на автотрофы и гетеротрофы. Первые способны синтезировать сложные органические вещества из простых неорганических соединений. Они могут использовать в качестве источника углерода углекислоту и другие неорганические соединения углерода.
По способу усваивать азот микроорганизмы делятся на 2 группы: аминоавтотрофы и амоногетеротрофы.
Аминоавтотрофы – для синтеза белка клетки используют молекулярный азот воздуха или усваивают его из аммонийных солей.
Аминогетеротрофы - получают азот из органических соединений – аминокислот, сложных белков (все патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитов).
По характеру источника использования энергии микроорганизмы делятся на фототрофы (используют энергию солнечного света) и хемотрофы (используют энергию за счет окисления неорганических веществ) (патогенные для человека микроорганизмы).
Тип питания микробов
 |
|||
Автотрофы Гетеротрофы
(патогенные и условно-патогенные микроорганизмы)
Факультативные Облигатные
Механизм питания. Проникновение различных веществ в бактериальную клетку зависит от величины и растворимости их молекул, рН среды, концентрации, проницаемости мембран и др. Основным регулятором поступления веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана. Выход веществ из клетки осуществляется за счет диффузии и при участии транспортных систем.
Проникновение питательных веществ в микробную клетку происходит различными способами:
1. Пассивная диффузия , т.е. перемещение веществ через толщу мембраны, в результате чего выравнивается концентрация веществ и осмотическое давление по обе стороны оболочки. Таким путем могут проникать питательные вещества, когда концентрация в среде значительно превышает концентрацию веществ в клетке. Этот процесс осуществляется без затрат энергии.
2. Облегченная диффузия – проникновение питательных веществ в клетку с помощью активного переноса их особыми молекулами-переносчиками, называемыми пермеазами . Этот процесс совершается без использования энергии, так как перемещение веществ происходит от более высокой концентрации к более низкой.
3. Активный транспорт питательных веществ осуществляется также с помощью пермеаз. Этот процесс требует затрат энергии. В этом случае питательное вещество может проникнуть в клетку, если концентрация его вклетке значительно превышает концентрацию в среде.
4. Транспортируемое вещество может подвергаться химической модификации. Такой способ называется перенос радикалов или транслокация химических групп. Этот процесс сходен с активным транспортом.
Выход веществ из микробной клетки осуществляется или в виде пассивной диффузии, или в процессе облегченной диффузии с участием пермеаз.
Для роста микробов на питательных средах, применяемых для их выращивания, необходимы определенные дополнительные компоненты, соединения, которые сами микробы синтезировать не могут. Такие соединения называются ростовыми факторами (аминокислоты, пурины и пиримидины, витамины и др.)
Дыхание микроорганизмов.
Дыхание (или биологическое окисление) – сложный процесс, сопровождающийся выделением энергии, необходимой для жизнедеятельности микробов. Бактерии, как и высшие животные, для дыхания используют кислород. Однако Л.Пастером было доказано существование таких бактерий. Для которых наличие свободного кислорода является губительным.
Все микробы по типу дыхания можно разделить на три основные группы:
- облигатные (строгие) аэробы (микрококки, туберкулезные бактерии и др.). Они могут расти только при наличии кислорода;
- облигатные (строгие) анаэробы (возбудители газовой гангрены, столбняка и ботулизма). Они могут расти только при полном отсутствии кислорода;
- факультативные анаэробы (большинство сапрофитов и патогенных микробов). Они растут как в присутствии, так и в отсутствии кислорода.
Аэробное дыхание протекает при наличии кислорода. Анаэробное – при его отсутствии.
Рост и размножение бактерий.
Рост – это увеличение размеров отдельной особи. Размножение – это увеличение числа особей в популяции. В результате роста и размножения микробов происходит увеличение их биомассы. Бактерии размножаются делением. Актиномицеты и грибы размножаются спорами. Дрожжи размножаются почкованием.
Быстрота размножения микробов различна. Для большинства бактерий период генерации (удвоения) в среднем равен 15-30 минут, например, для кишечной палочки 15-17 минут. Некоторые микробы делятся медленнее, например спирохеты один раз в 10 часов.
На жидких средах рост бактерий характеризуется образованием пленки на поверхности, равномерного помутнения , либо осадка .
На плотных питательных средах бактерии образуют скопления клеток, называемые колониями . Образуемые колонии бывают округлой формы с ровными или неровными краями различной консистенции и цвета, зависящего от пигмента бактерий (синий, кроваво-красный, желтый). Различают два вида колоний: шероховатые с неровными краями (R- форма) и гладкие с ровными краями (S- форма).
1. Питание растений
Питание растений может быть минеральным и воздушным. Воздушное питание – это фотосинтез, а минеральное – поглощение из почвы корневыми волосками воды и растворенных в ней минеральных веществ. Преобладающими компонентами являются азот, калий и фосфор. Азот обеспечивает быстрый рост растений, фосфор – созревание плодов, а калий – быстрому оттоку органических веществ от листьев к корням. Недостаток или избыток минерального питания приводят к болезням растений.
Фотосинтез – создание органических веществ из неорганических с использованием энергии света. В этом процессе ведущим органом является лист растения. Строение листа хорошо соответствует этой функции: он имеет плоскую листовую пластинку, а в мякоти листа содержится огромное количество хлоропластов с зелёным хлорофиллом.
Опыт 1. Образование в листьях органических веществ
Цель: выяснить, в каких клетках зеленого листа образуются органические вещества (крахмал, сахар).
Что делаем: комнатное растение герань окаймлённая поместим на трое суток в тёмный шкаф (чтобы произошёл отток питательных веществ из листьев). Через трое суток вынем растение из шкафа. Прикрепим на один из листьев конверт из чёрной бумаги с вырезанным словом «свет» и поставим растение на свет или под электрическую лампочку. Через 8-10 часов срежем лист. Снимем бумагу. Опустим лист в кипящую воду, а затем на несколько минут в горячий спирт (в нём хлорофилл хорошо растворяется). Когда спирт окрасится в зелёный цвет, а лист обесцветится, промоем его водой и поместим в слабый раствор йода.
Что наблюдаем: на обесцвеченном листе появятся синие буквы (крах-мал синеет от йода). Буквы появляются на той части листа, на которую падал свет. Значит, в освещённой части листа образовался крахмал. Необходимо обратить внимание на то, что белая полоска по краю листа не окрасилась. Это объясняет то, что в пластидах клеток белой полоски листа герани окаймлённой нет хлорофилла. Поэтому крахмал не обнаруживается.
Вывод: таким образом, органические вещества (крахмал, сахар) обра-зуются только в клетках с хлоропластами, и для их образования необходим свет.
Специальные исследования учёных показали, что на свету в хлоропла-стах образуется сахар. Затем в результате превращений из сахара в хлоропла-стах образуется крахмал. Крахмал – это органическое вещество, которое в воде не растворяется.
Процесс фотосинтеза можно представить в виде суммарного уравнения:
6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2
Таким образом, суть световых реакций заключается в том, что световая энергия превращается в химическую.
Образование органических веществ.
Образовавшийся в хлоропластах крахмал под воздействием особых ве-ществ превращается в растворимый сахар, который поступает к тканям всех органов растения. В клетках некоторых тканей сахар может вновь превра-титься в крахмал. Запасной крахмал накапливается в бесцветных пластидах.
Из сахаров, образовавшихся при фотосинтезе, а также минеральных со-лей, поглощённых корнями из почвы, растение создаёт вещества, которые ему необходимы: белки, жиры и многие другие белки, жиры и многие другие.
Часть органических веществ, синтезированных в листьях, расходуется на рост и питание растения. Другая часть откладывается в запас. У однолетних растений запасные вещества откладываются в семенах, плодах. У двулетних на первом году жизни они накапливаются в вегетативных органах. У многолетних трав вещества запасаются в подземных органах, а у деревьев и кустарников – в сердцевине, основной ткани коры и древесины. Кроме того, у них на определённом году жизни органические вещества начинают запасаться также в плодах и семенах.
2. Дыхание растений и газообмен
В живых клетках растения постоянно происходит обмен веществ и энергии.
Листья благодаря работе устьиц осуществляют такую важную функцию, как газообмен между растением и атмосферой. Через устьица лист с атмосферным воздухом поступают углекислый газ и кислород. Кислород используется при дыхании, углекислый газ необходим растению для образования органических веществ. Через устьица в воздух выделяется кислород, который образовался в процессе фотосинтеза. Удаляется и углекислый газ, появившийся у растения в процессе дыхания. Фотосинтез осуществляется только на свету, а дыхание на свету и в темноте, т.е. постоянно. Дыхание во всех живых клетках органов растения происходит непрерывно. Как и животные, растения погибают с прекращением дыхания.
В природе происходит обмен веществ между живым организмом и окружающей средой. Поглощение растением одних веществ из внешней среды сопровождается выделением других.
Опыт 2. Дыхание растений
Элодея, будучи водным растением, использует для питания углекислый газ, растворённый в воде.
Цель: выяснить, какое же вещество выделяет элодея во внешнюю среду при фотосинтезе?
Что делаем: стебли веточек подрежем под водой (вода кипяченная) у основания и прикроем стеклянной воронкой. Пробирку, до краёв заполненную водой помещаем на трубку воронки. Это сделать в двух вариантах. Одну ёмкость поставить в тёмное место, а другую – выставить на яркий солнечный или искусственный свет
В третью и четвёртую ёмкости добавить углекислый газ (добавить не-большое количество питьевой соды или можно подышать в трубочку) и так же один поставить в темноту другой на солнечный свет.
Что наблюдаем: через некоторое время в четвёртом варианте (сосуд, стоящий на ярком солнечном свете) начинают выделяться пузырьки. Этот газ вытесняет из пробирки воду, её уровень в пробирке вытесняется.
Что делаем: когда вода будет вытеснена газом полностью, необходимо осторожно снять пробирку с воронки. Плотно закрыть отверстие большим пальцем левой руки, а правой быстро внести в пробирку тлеющую лучинку.
Что наблюдаем: лучинка загорается ярким пламенем. Посмотрев на растения, которые поместили в темноту, увидим, что пузырьки газа из элодеи не выделяются, и пробирка осталась заполненная водой. То же самое с про-бирками в первом и втором варианте.
Вывод: отсюда следует, что газ, который выделила элодея – кислород. Таким образом, растение выделяет кислород только тогда, когда есть все условия для фотосинтеза – вода, углекислый газ, свет.
При дыхании происходит расход органических веществ – их разложение, т.е. окисление, соединение с кислородом. Этот процесс протекает во всех живых клетках растения и сопровождается выделение энергии – тепла. Поэтому все части растения дышат. В процессе фотосинтеза растения выделяют кислорода в 10-20 раз больше, чем поглощают его при дыхании.
Фотосинтез и дыхание идут путём последовательных многочисленных химических реакций, в которых одни вещества преобразуются в другие.
Так, в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды, полученных растением из окружающей среды, образуются сахара, которые затем превращаются в крахмал, клетчатку или белки, жиры и витамины – вещества, необходимые растению для питания и запасания энергии. В процессе дыхания, наоборот, происходит расщепление созданных в процессе фотосинтеза органических веществ на неорганические соединения – углекислый газ и воду. При этом растение получает высвобождающуюся энергию. Эти превращения веществ в организме называют обменом веществ. Обмен веществ – один из важнейших признаков жизни: с прекращением обмена веществ прекращается жизнь растения.
3. Транспирация
Растения на 80% состоит из воды. Процесс испарения воды листьями у растений (транспирация) регулируется открыванием и закрыванием устьиц. Закрывая устьица, растение защищает себя от потери воды. Открывание и закрывание устьиц находится под влиянием факторов внешней и внутренней среды, в первую очередь температуры и интенсивности солнечного света.
Листья растений содержат много воды. Она поступает по проводящей системе от корней. Внутри листа вода продвигается по стенкам клеток и по межклетникам к устьицам, через которые уходит в виде пара (испаряется). Этот процесс легко проверить, если выполнить несложный опыт.
Опыт 3. Транспирация
Поместим в стеклянную колбу лист растения, изолировав его от окружающей среды. Через некоторое время стенки колбы покроются капельками воды. Это доказывает процесс транспирации.
Воду испаряет поверхность листа растения. Различают транспирацию кутикулярную (испарение всей поверхностью растения) и устьичную (испарение через устьица). Биологическое значение транспирации состоит в том, что она является средством передвижения воды и различных веществ по растению (присасывающее действие), способствует поступлению углекислого газа внутрь листа, углеродному питанию растений, защищает листья от перегрева.
Интенсивность испарения воды листьями зависит от:
Биологических особенностей растений;
Условий роста (растения засушливых местностей испаряют мало воды, влажных – значительно больше; теневые растения испаряют воды меньше, чем световые; много воды растения испаряют в зной, значительно меньше – в облачную погоду);
Освещения (рассеянный свет уменьшает транспирацию на 30-40%);
Осмотического давления клеточного сока;
Температуры почвы, воздуха и тела растения;
Влажности воздуха и скорости ветра.
Наибольшее количество воды испаряется у некоторых видов древесных пород через листовые рубцы (рубец, оставляемый опавшими листьями на стебле), которые оказываются наиболее уязвимыми местами на дереве.
Разные растения испаряют разные количества воды. Так, кукуруза за су-тки испаряет 0,8 л воды, капуста – 1 л, дуб – 50 л, береза – более 60 л. Леса из различных пород деревьев испаряют воды за лето с 1 га: еловый лес – 2240 т, буковый - 2070 т, дубовый – 1200 т, сосновый – 470 т.
При разных условиях растения по-разному испаряют воду. В пасмурную погоду испарение меньше, чем в солнечный день, а в ветреную погоду – больше, чем в тихую. Транспирация защищает растения от перегрева, т.к. в процессе испарения поглощается энергия. Чем больше листовая пластинка, тем больше ее поверхность и интенсивнее происходит процесс испарения.
4. Размножение растений
Половое размножение покрытосеменных растений связано с цветком. Его важнейшие части – тычинки и пестики. В них происходят сложные про-цессы, связанные с половым размножением.
В пыльниках тычинок происходит образование пыльцевых зерен. Наружная оболочка, как правило, неровная, с шипиками, бородавочками, выростами в виде сеточки. Пыльцевое зерно попадает на рыльце пестика и прикрепляется к нему благодаря особенностям строения оболочки, а также липким сахари-стым выделениям рыльца, к которым пыльца прилипает. Пыльцевое зерно набухает и прорастает, превращаясь в длинную, очень тонкую пыльцевую трубку. Пыльцевая трубка образуется в результате деления вегетативной клетки. Сначала эта трубка растёт между клетками рыльца, затем – столбика и наконец врастает в полость завязи.
Генеративная клетка пыльцевого зерна перемещается в пыльцевую трубку, делится и образует две мужские гаметы (спермии). Когда пыльцевая трубка через пыльцевход проникает внутрь зародышевого мешка, один из спермиев сливается с яйцеклеткой. Происходит оплодотворение, и образуется зигота.
Второй спермий сливается с ядром крупной центральной клеткой зародыше-вого мешка. Таким образом, у цветковых растений при оплодотворении про-исходит два слияния: первый спермий сливается с яйцеклеткой, второй – с крупной центральной клеткой. Двойное оплодотворение характерно только для цветковых растений.
Образовавшаяся при слиянии гамет зигота делится на две клетки. Каждая из возникших при этом клеток снова делится и т. д. В результате многократных делений клеток развивается многоклеточный зародыш нового растения.
Центральная клетка тоже делится, образуя клетки эндосперма, в которых на-капливаются запасы питательных веществ. Они необходимы для питания и развития зародыша. Из покрова семязачатка развивается семенная кожура. После оплодотворения из семязачатка развивается семя, состоящее из кожу-ры, зародыша и запаса питательных веществ.
После оплодотворения к завязи притекают питательные вещества, и она по-степенно превращается в спелый плод. Околоплодник, защищающий семена от неблагоприятных воздействий, развивается из стенок завязи. У некоторых растений в образовании плода принимают участие и другие части цветка.
Основной способ размножения цветковых растений – семенами. Но существует еще вегетативное размножение.
Вегетативное размножение - это размножение вегетативными органами растений - корнями, побегами или их частями. В его основе лежит способ-ность растений к регенерации, к восстановлению целого организма из части. Усиление функции вегетативного размножения привело к значительному видоизменению органов.
Специализированными побегами вегетативного размножения являются надземные и подземные столоны, корневища, клубни, луковицы и т. п.
1. Размножение черенками (надземными побегами). Самым распространенным методом размножения комнатных растений в домашних услови-ях является черенкование.
Черенками при размножении черенками могут выступать как стебли, ку-сочки стебля, листья.
Стеблевыми черенками размножаются большинство комнатных расте-ний.
Для этого выбирают здоровый нецветущий побег. Отрезают от него че-ренок длиной от 7-15 см (все зависит от длины стебля), обрезают побег ниже узла лезвием или острым ножом, отрезают листья с нижней части черенка, подготавливают раствор фитогормона и опускают туда на несколько секунд нижнюю часть побега, делают в почве углубление с помощью карандаша и помещают туда побег, почву вокруг приминают карандашом.
2. Размножение усами. Появление на концах некоторых цветущих рас-тений маленьких дочерних растеньиц свидетельствует о том, что пришло время для размножения.
Для этого достаточно прикопать дочернее растеньице в почву, а после укоренения, отделить от материнского. Если у дочернего растеньица имеются собственные корни, то его можно сразу отделить от материнского и высаживать как укоренившийся черенок.
3. Размножение корневыми отпрысками
4. Размножение отводками. Размножение отводками очень подходит для растений с длинными стеблями (это вьющиеся ампельные растения). Для этого достаточно выбрать сильный побег и прижать его к почве кусочком проволоки.
Эту процедуру следует проводить весной или летом. Как только побег уко-ренится и от него пойдут молодые побеги, растение можно отделять.
5. Делением куста. Растения, которые образуют поросль, можно раз-множать и делением куста.
6. Размножение листом. Размножение листом производится у таких комнатных растений, как толстянка, эхеверия, очиток. Для этого используют листовые черенки: берут крупный мясистый лист, который высаживают в почву, верхний слой которой покрыт крупнозернистым песком. Мелкий лист просто кладут на почву плашмя и слегка придавливают, а крупный лист про-сто погружают нижней частью в почву. Бегония королевская, бегония Мэсона размножаются с помощью части листа.
7. Подземными побегами (корневищем, клубнем, луковицей)
8. Размножение прививкой заключается в перенесении части одного растения на другое и сращивании их. Тем самым сохраняются сортовые осо-бенности прививаемого растения. Прививкой размножают розы, сирень, аза-лии, кактусы.
Простейшие одноклеточные организмы, относящиеся к классу реснитчатых распространены практически повсеместно. От холодных льдов Севера до не менее обжигающих айсбергов Юга в любой стоячей воде обнаруживаются эти милые создания, являющиеся одним из важнейших звеньев пищевой цепочки биоценоза. Для аквариумиста инфузории туфельки представляют ценность как хорошая кормовая подпитка для новорожденных мальков. Но прежде чем заводить в своем «подводном мире» эту живность, стоит познакомиться с размножением, питанием и жизнедеятельностью микроорганизма.
Природная среда обитания и не только
Мельчайшие из живых существ обитают в неглубоких водоемах с неподвижной водой. Инфузории туфельки называются так за сходство формы тельца, сплошь покрытого ресничками, с дамской туфлей. Реснички помогают животным двигаться, питаться и даже обороняться. Мельчайший организм имеет размер 0,5 мм, увидеть невооруженным глазом инфузорию невозможно! Интересен способ перемещения в воде – только округлым затупленным концом вперед, но и при такой своеобразной «ходьбе», малышки развивают скорость 2,5 мм/1секнду.
Одноклеточные создания имеют двуядерную структуру: первое «большое» ядро контролирует питательные и дыхательные процессы, следит за обменом веществ и перемещением, а вот «малое» ядро включается только в процессы полового значения. Тончайшая оболочка повышенной эластичности позволяет микроорганизму находиться в природной четко очерченной форме, а также быстро передвигаться. Как таковое передвижение осуществляется посредством ресничек, исполняющих роль «весел» и постоянно толкающих туфельку вперед. Кстати, движения всех ресничек абсолютно синхронны и согласованны.
Жизнедеятельность: питание, дыхание, размножение
Как и все свободно живущие микроорганизмы, инфузория туфелька питается мельчайшими бактериями и частичками водорослей. У такой крохи имеется ротовая полость – глубокая впадинка, расположенная в определенном месте тела. Ротовое отверстие переходит в глотку, а потом пища попадает прямиком в вакуоль для переваривания пищи и тут еда начинает перерабатываться кислой, а затем и щелочной средой. У микроорганизма есть и отверстие, через которое выходят не полностью переваренные остатки пищи. Располагается оно позади пищевого отверстия и, проходя через структуру особого типа – порошицу, остатки еды выталкиваются наружу. Питание микроорганизма отлажено до предела, туфелька не может переесть или остаться голодной. Это, пожалуй, одно из совершенных созданий природы.
Дышит инфузория туфелька всеми покровами своего тельца. Высвобожденной энергии хватает для жизнеобеспечения всех процессов, а ненужные отработанные соединения, типа углекислого газа, удаляются так же посредством всей площади тела особи. Строение инфузории туфельки достаточно сложное, например, сократительные вакуоли при переполнении водой с растворенными органическими веществами, поднимаются к самой крайней точке плазмы на тельце и выталкивают все ненужное. Пресноводные обитатели таким образом удаляют излишки воды, которая постоянно поступает внутрь из окружающего пространства.
Микроорганизмы данного типа могут собраться большими колониями к местам, где скапливается много бактерий, но крайне резко реагируют на поваренную соль – уплывают.
Размножение
Существует два типа размножения микроорганизмов:
- Бесполое, являющееся обычным делением. Этот процесс происходит как раздел одной инфузории туфельки надвое, причем новые организмы обладают своим большим и малым ядром. При этом в новую жизнь переходит только малая часть «старых» органоидов, все остальные быстро образуются заново.
- Половое. Этот тип применяется только при появлении температурных колебаний, недостаточности пищи и других неблагоприятных условиях. Именно тогда животные могут разделиться полами и затем превратиться в цисту.
Именно второй вариант размножения наиболее интересен:
- Две особи временно сливаются в одну;
- На месте слияния образуется некий канальчик, соединяющий пару;
- Большое ядро полностью исчезает (у обоих особей), а малое разделяется два раза.
Питание. Простейшие питаются преимущественно мертвой органикой, клетками бактерий, водорослей, грибов, то есть они - гетеротрофы.
Только отдельные представители простейших, такие как эвглена зеленая, способны к фотосинтезу.
Все виды простейших могут поглощать растворы органических веществ, некоторые способны путем фагоцитоза захватывать твердые частицы (например, клетки других организмов). Амеба охватывает частицу пищи своими ложноножками (рис. 40).
Эта частица пищи, окруженная мембраной, оказывается внутри клетки. Так образуется пищеварительная вакуоль, в которой пища переваривается.
Непереваренные остатки пищи выводятся наружу в любом месте клетки или через специальные образования в ее мембране.
Дыхание. Простейшие дышат кислородом, растворенным в воде или другой жидкости (например, крови хозяина).
Кислород, который они поглощают через поверхность клетки, окисляет органические вещества. При этом освобождается энергия, необходимая для обеспечения процессов жизнедеятельности организма.
Углекислый газ, образующийся в процессе дыхания, выводится из клетки наружу.
Основные признаки живого
