Główna zawartość

Kurs: Biologia > Rozdział 23

Lekcja 2: Metabolizm i ekologia prokaryotów

Prokaryota: interakcje i ekologia

Współpraca i "wielokomórkowość" w prokariotów. Mutualizm, komensalizm i pasożytnictwo. Cykl węglowy i azotowy. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji "HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

Bakterie mogą być wysoce kooperatywne. Niektóre tworzą zorganizowane struktury przypominające wielokomórkową tkankę.
Biofilmy to przytwierdzone do powierzchni zbiory mikroorganizmów, które trzymają się w jednej grupie i wymieniają składniki odżywcze.
Niektóre prokariota tworzą bliskie relacje z roślinami, zwierzętami lub grzybami. Może to być mutualizm (+/+), komensalizm (+/0) lub pasożytnictwo (+/-).

Bakterie: Zaskakująco interaktywne!

Jeśli powiem bakteria, jakie jest pierwsze słowo, które przychodzi do głowy? Raczej mało prawdopodobne, że będzie to słowo społeczne. Jednakże bakterie i inne prokariota (archaea) okazują się być społeczne i kooperatywne (współpracujące) w znacznie większym stopniu niż uważali dotąd biolodzy.

Niektóre bakterie współpracują w grupach, dzieląc pomiędzy siebie zadania metaboliczne, a następnie wytworzone produkty. Inne stanowią grupy współpracujące z organizmem gospodarza (choć niektóre tworzą także związki neutralne lub szkodliwe).

W tym artykule najpierw zbadamy, jak bakteria współpracują ze sobą i tworzą zorganizowane grupy (czasami wyglądające na prawie "wielokomórkowe"). Potem przyjrzymy się niektórym sposobom oddziaływań z innymi gatunkami.

Współpraca i "wielokomórkowość" u bakterii

Bakterie często korzystają na współpracy ze sobą. Ta współpraca może być luźna, lub może być skoordynowana do tego stopnia, że zaczyna bardzo przypominać wielokomórkowy organizm eukariotyczny!

Oto kilka przykładów współpracy bakteryjnej - możesz sam ocenić, czy rzeczywiście organizmy te wyglądają jak wielokomórkowe czy nie (to wciąż kontrowersyjne pytanie w biologii).

^{1, 2}

Myksobakterie

Myksobakterie to bakterie glebowe, które współdziałają, tworząc skoordynowane grupy (a nawet złożone struktury z wyspecjalizowanymi komórkami). Kiedy dostępnych jest wiele zasobów, myksobakterie tworzą grupy nazywane są rojami. Rój idzie w sposób skoordynowany i karmi się poprzez wydzielanie enzymów trawiennych do gleby i pochłanianie strawionego materiału.

^{3}

Kiedy zasoby naturalne stają się ograniczone, myksobakterie łączą się tworząc struktury wielokomórkowe zwane ciałami owocującymi (patrz rysunek powyżej). W ciałach owocujących komórki dojrzewają do zarodników o nazwie myksospory. Każdy myksospor ma grubą ścianę komórkową, która pozwala mu przetrwać przez długi czas. Kiedy zasoby są dostępne, myksospory kiełkują i powstaje nowy rój.

^{3}

Cyjanobakterie tworzące łańcuchy

Cyjanobakterie (sinice) z rodzaju Anabaena nie rozdzielają się na samodzielne komórki, w trakcie rozszczepienia binarnego (podział komórek bakteryjnych). Zamiast tego, trzymają się razem w łańcuchach połączonych komórek, jak pokazano na rysunku poniżej.

Komórki cyjanobakterii mają zdolność do fotosyntezy i asymilacji azotu. Jednakże pojedyncza komórka nie może wykonać obu procesów naraz, ponieważ tlen uwolniony w fotosyntezie blokuje asymilację azotu (osłabia enzymy asymilujące azot).

^{4}

Aby rozwiązać ten problem, gdy dostępność azotu w środowisku jest niska, niektóre komórki w łańcuchu stają się komórkami zwanymi heterocystami. Heterocysty specjalizują się w asymilacji azotu, w przeciwieństwie do reszty komórek w łańcuchu, które przeprowadzają fotosyntezę.

^{5}

Biofilmy

Biofilm to zbiór przyczepionych do powierzchni mikroorganizmów połączonych ze sobą mazistą substancją (zbudowaną głównie z węglowodanów), którą same wydzielają. W wielu przypadkach biofilmy tworzą się poprzez quorum sensing. W quorum sensing bakterie wymieniają między sobą sygnały (cząsteczki związków chemicznych), które pozwalają im określić gęstość ich populacji i zmieniają swoje zachowanie, gdy gęstość przekracza pewien próg.

Biofilmy często zawierają wiele rodzajów bakterii lub innych mikroorganizmów. W niektórych przypadkach poszczególni członkowie biofilmu są metabolicznie komplementarni, produkują jedną cząsteczkę, którą mogą wykorzystywać inni członkowie grupy. Biofilmy zazwyczaj posiadają przepuszczalne dla wody kanały do wymiany składników odżywczych i odpadów, a niektórzy biologowie porównują je do "prymitywnego układu krążenia".

^{6}

Prawdopodobnie większość bakterii w naturze żyje na powierzchniach, a nie swobodnie, biofilmy natomiast są dosłownie wszędzie. Tworzą się na powierzchniach domowych, takich jak kuchenne blaty, deski do krojenia, zlewozmywaki i toalety. Nawet płytka nazębna usuwana przez dentystów jest biofilmem!

Biofilmy najczęściej skupiają naszą uwagę, gdy powodują problemy. Biofilmy patogenne (powodujące chorobę), takie jak biofilm Staphylococcus na zdjęciu powyżej, mogą stanowić poważny problem w szpitalach. Często są one trudne do zwalczenia antybiotykami i mogą powodować trwałe zakażenia, jeśli zanieczyszczą sprzęt medyczny, na przykład cewniki. Inne biofilmy wywołują korozję metalowych rur i uszkadzają urządzenia przemysłowe.

Niektóre biofilmy mają jednak korzystne zastosowania. Na przykład biofilmy są stosowane w oczyszczalniach ścieków do usuwania substancji organicznych z ścieków.

Wielokomórkowe czy nie?

W powyższych przykładach bakterie współdziałają ze sobą. Do pewnego stopnia, społeczne zachowanie komórek w biofilmie jest analogiczne do współpracy komórek w organizmie wielokomórkowym. Anabaena i myksobakteria są, moim zdaniem, bardzo bliskie organizmom wielokomórkowym.

Niektórzy naukowcy twierdzą, że bakterie współpracujące kwalifikują się jako organizmy wielokomórkowe. Inni twierdzą jednak, że prokariota nie mogą być wielokomórkowe, są to jedynie grupy organizmów współpracujących (jak mrówki w mrowisku). Czy jesteś w stanie rozstrzygnąć ten spór?

Mutualizm, komensalizm i pasożytnictwo bakterii

Zapoznaliśmy się z wyjątkowymi przypadkami, w których bakterie oddziałują ze sobą, tworząc grupy zorganizowane (czy możemy o nich powiedzieć wielokomórkowe?). Jednak wiele rodzajów bakterii tworzy również bliskie związki z eukariotycznymi gatunkami, takimi jak ludzie, często żyjąc w nich.

Trzy ważne typy interakcji ekologicznych między gatunkami to mutualizm, komensalizm i pasożytnictwo. Bakterie mogą być częścią wszystkich trzech typów interakcji. W rzeczywistości my, ludzie, napotykamy wiele bakterii z każdej kategorii!

Mutualizm

Niektóre bakterie tworzą mutualistyczne, czyli wzajemnie korzystne (+/+) relacje pomiędzy dwoma organizmami.

Na przykład: bakterie Ruminococcus żyją w jelitach krowy i rozkładają celulozę, węglowodany z trawy, do formy użytecznej dla krowy. Bez tych bakterii krowy nie mogły strawić trawy, którą jedzą! W zamian bakterie otrzymują składniki odżywcze i bezpieczne miejsce do życia (jelita krowy).

^{7}

Komensalizm

Bakterie mogą również tworzyć komensalistyczne relacje, na których korzysta jeden partner, podczas gdy na drugiego nie mają one wpływu (+/0).

Na przykład my, ludzie, mamy miliony bakterii żyjących w naszych ciałach, uważa się, że wiele z nich jest z nami w relacji komensalistycznej (na przykład karmienie martwych komórek lub metaboliczne produkty uboczne). Jednak często zdarza się, że te wzajemne powiązania okazują się być nieco mutualistyczne lub pasożytnicze (patrz poniżej), gdy się im uważnie przyjrzy.

^{8}

Pasożytnictwo

Pasożytnictwo to związek, w którym jeden organizm odnosi korzyść, a drugi ponosi szkody (+/-). Bakterie pasożytnicze to te, które najlepiej znamy, i które przynoszą bakteriom złą reputację paskudnych "szkodników".

Bakterie, które powodują ludzkie choroby, pobierają zasoby z organizmu człowieka, a także atakują gospodarza w inny sposób, powodując nieprzyjemne objawy infekcji bakteryjnej.

Bakterie chorobotwórcze mogą zaszkodzić gospodarzowi na różne sposoby, mogą atakować tkanki, produkować toksyny lub bezpośrednio uszkadzać komórki gospodarza.

^{9, 10}

Niektóre bakterie, takie jak Toxoplasma gondii, które powodują toksoplazmozę, dostają się nawet bezpośrednio do komórek swojego gospodarza.

Sprawdź, czy rozumiesz!

Myksobakterie są bakteriami glebowymi, które zwykle żyją razem w grupie zwanej rojem. Kiedy zasoby stają się ograniczone, poszczególne myksobakterie łączą się w ciało owocujące, strukturę wielokomórkową, która pozwala niektórym komórkom dojrzewać do zarodników (wyspecjalizowanych struktur o grubych ściankach komórkowych, które mogą wytrzymać trudne warunki). Kiedy warunki stają się korzystne, zarodniki te kiełkują, tworząc nowy rój.

Jak powstawanie ciał owocujących pomaga populacjom myksobakterii w przetrwaniu?

(Choice A)
Zapewniają przetrwanie co najmniej części populacji (w formie zarodników), aż zasoby zaczną być dostępne
(Choice B)
Poprzez umożliwienie niektórym myksobakteriom na oddzielenie się od grupy, dzięki czemu zmniejszają konkurencję o zasoby
(Choice C)
Poprzez zabezpieczenie, że gdy warunki będą korzystne, grupa myksobakterii zacznie kiełkować, umożliwiając populacji wznowienie zachowań grupowych
(Choice D)
Wytwarzając owoce, które myksobakterie mogą zjeść

Kiedy warunki są niekorzystne, myksobakterie z całej populacji tworzą ciało owocujące, co oznacza, że pojedyncze bakterie nie rozpraszają się (nie zostawiają grupy).

Ponieważ zarodniki są chronione przed ciężkimi warunkami (ze względu na ich ściany komórkowe), mogą pozostać uśpione i bezpieczne, aż warunki będą im sprzyjały. Dzięki temu część myksobakterii przetrwa niekorzystne warunki.

W owocującym ciele, wiele komórek dojrzewa do zarodników, co oznacza, że gdy warunki będą korzystne, te liczne myksobakterie zaczną kiełkować. W ten sposób gdy warunki będą sprzyjające powstanie cała grupa myksobakterii, znów funkcjonujących jako jedna żyjąca populacja.

Jak powstawanie ciał owocujących pomaga populacjom myksobakterii w przetrwaniu?

Zapewniają przetrwanie co najmniej części populacji (w formie zarodników), aż zasoby zaczną być dostępne
Poprzez zabezpieczenie, że gdy warunki będą korzystne, grupa myksobakterii zacznie kiełkować, umożliwiając populacji wznowienie zachowań grupowych

Przypisy i odniesienia:

Ten artykuł powstał na podstawie "Prokaryotic diversity," by OpenStax College, Biology CC BY 4.0. Pobierz oryginalny artykuł za darmo poprzez http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.8.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Gould, S. E. (2011, 16 Listopad). Bacteria with bodies - multicellular prokaryotes. In Scientific american. Pobrane z https://blogs.scientificamerican.com/lab-rat/bacteria-with-bodies-multicellular-prokaryotes/.
General, non-lecture-specific questions. (n.d.) In MCB 150 frequently asked questions. Pobrany 29 Październik, 2016 z https://www.life.illinois.edu/mcb/150/private/faq/index.php?action=artikel&cat=2&id=99&artlang=en.
Gilmore, D. (n.d.). The myxobacteria. Pobrane z http://www.clt.astate.edu/dgilmore/Research%20students/myxobacteria2.htm.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Metabolic cooperation. In Campbell biology (edycja 10, strona 576). San Francisco, CA: Pearson.
Starr, C. and Taggart, R. (2006). Domain bacteria. W Biology: The unity and diversity of life (edycja 11., str. 338). Belmont, CA: Thomson Higher Education.
Davey, M. E. and O'Toole, G. A. (2000). Microbial biofilms: From ecology to molecular genetics. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 64(4), 847-867. Pobrane z http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC99016/.
Cellulose degradation in the rumen. (2013, 27 Kwiecień) Pobrane 17 Luty, 2016 z Microbewiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Cellulose_Degradation_in_the_Rumen.
Todar, K . (2012). The normal bacterial flora of humans. In Todar's online textbook of bacteriology. Pobrane z http://textbookofbacteriology.net/normalflora_2.html.
Pathogenic bacteria. (2016, 18 Maj). Pobrane 17 Maj, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Pathogenic_bacteria.
Peterson, Johnny W. (1996). Pathogenic mechanisms. In S. Baron (ed.), Medical microbiology (edycja 4., 7). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Pobrane z https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8526/#_A549_.
Hu, Ke, Jeff Johnson, Laurence Florens, Martin Fraunholz, Sapna Suravajjala, Camille DiLullo, John Yates, David S. Roos, and John M. Murray. (2006). Cytoskeletal components of an invasion machine-the apical complex of Toxoplasma gondii. PLoS Pathogens, 2(2), e13. http://dx.doi.org/10.1371/journal.ppat.0020013.

Bibliografia:

Biofilm. (2016, 16 Marzec). Pobrane 20 Marzec, 2006 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Biofilm .

Botox and its many uses. (2009, Wrzesień). W Consumer reports. Pobrane z http://www.consumerreports.org/cro/2009/09/botox-and-its-many-uses/index.htm.

Cellulose degradation in the rumen. (2013, 27 Kwiecień) Pobrane 17 Luty, 2016 z Microbewiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Cellulose_Degradation_in_the_Rumen.

Gilmore, D. (n.d.). The myxobacteria. Pobrane z http://www.clt.astate.edu/dgilmore/Research%20students/myxobacteria2.htm.

Gould, S. E. (2011, 16 Listopad). Bacteria with bodies - multicellular prokaryotes. In Scientific american. Pobrane z https://blogs.scientificamerican.com/lab-rat/bacteria-with-bodies-multicellular-prokaryotes/.

Hu, Ke, Jeff Johnson, Laurence Florens, Martin Fraunholz, Sapna Suravajjala, Camille DiLullo, John Yates, David S. Roos, and John M. Murray. (2006). Cytoskeletal components of an invasion machine-the apical complex of Toxoplasma gondii. PLoS Pathogens, 2(2), e13. http://dx.doi.org/10.1371/journal.ppat.0020013.

Escherichia coli. (2014, 13 Listopad). Pobrane 17 Luty, 2016 z Microbewiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Escherichia_coli.

Morowitz, M. J., Carlisle, E., and Alverdy, J. C. (2011). Contributions of intestinal bacteria to nutrition and metabolism in the critically ill. Surg Clin North Am, 91_(4), 771-785. http://dx.doi.org/10.1016/j.suc.2011.05.001.

OpenStax College, Biology. (2013, 9 Październik). Prokaryotic metabolism. In OpenStax CNX. Pobrane z http://cnx.org/contents/R8tUTi1x@10/Prokaryotic-Metabolism.

Pathogenic bacteria. (2016, 18 Maj). Pobrane 17 Maj, 2016 z Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Pathogenic_bacteria.

Peterson, Johnny W. (1996). Pathogenic mechanisms. In S. Baron (ed.), Medical microbiology (edycja 4., Ch. 7). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Pobrane z https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK8526/#_A549_.

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., and Heller, H. C. (2003). Bacteria and archaea: The prokaryotic domains. W Life: The science of biology (edycja 7 ed., strony 524-541). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Bacteria and archaea. W Campbell biology (edycja 10, strony 575-585). San Francisco, CA: Pearson.

Ryan, Meagan. (2011, 11 Marzec). Mutualism between humans and E.coli. W Themes of parasitology. Pobrane z http://bio390parasitology.blogspot.com/2011/03/mutualism-between-humans-and-e.html.

Starr, C. and Taggart, R. (2006). Domain bacteria. W Biology: The unity and diversity of life (edycja 11, strony 338-339). Belmont, CA: Thomson Higher Education.

Wilkin, D. and Gray-Wilson, N. (2016, March 23). Symbiotic relationships of prokaryotes - Advanced. W CK-12 biology advanced concepts. Pobrane z http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/11.12/.

Woodward, D. and Schaeffer, S. W. (2009, June 10). Prokaryotes II - Structure and function. W Biology 110 - Basic concepts and biodiversity. Pobrane z https://wikispaces.psu.edu/display/110Master/Prokaryotes+II+-+Structure+and+Function.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.