Эукариоты. Грибы

Грибы – одноклеточные и мицелиальные гетеротрофные организмы. Их делят на макро- и микромицеты. Макромицеты образуют крупные плодовые тела, отсутствующие у микромицетов.

Тело гриба (мицелий) представляет собой разветвленные длинные нити (гифы). У некоторых грибов нити гиф не имеют поперечных перегородок (септ) – низшие грибы. Для большинства характерны гифы с септами – высшие грибы

Грибы значительно крупнее бактерий и актиномицетов. Диаметр их гиф колеблется от 5 до 50 мкм и более. Клеточная стенка большинства грибов содержит хитин или близкие к нему соединения. В цитоплазме содержатся рибосомы, митохондрии, а также включения волютина и жиров.

Ядро четко дифференцировано, окружено мембраной. Несептированный мицелий грибов содержит несколько ядер.

Отдельные участки мицелия грибов имеют специальные образования – спорангии, в которых формируются споры, служащие для сохранения или размножения вида. Способы размножения грибов разнообразны: вегетативное, бесполое и половое. Специфичность размножения лежит в основе систематики того или иного гриба.

Вирусы

Вирусы – это группа ультрамикроскопических облигатных внутриклеточных паразитов, способных размножаться только в клетках живых организмов.

Вирусы обладают рядом характерных особенностей:

- не имеют клеточного строения;

- не способны к росту и бинарному делению;

- не имеют собственных систем метаболизма;

- содержат нуклеиновые кислоты только одного типа – ДНК или РНК;

- используют рибосомы клетки-хозяина для синтеза собственных белков;

- не размножаются на искусственных питательных средах и могут существовать только в организме восприимчивого к ним хозяина.

Вирусы существуют в двух формах: внеклеточной - в виде вириона и внутриклеточной, называемой репродуцирующимся вирусом. У вириона отсутствует обмен веществ, он не растет и не размножается. Внутриклеточная форма является активным агентом, который, попав в клетку хозяина, использует ее биосинтетический и энергетический аппарат для репродукции новых вирусов, в последствии может вызвать гибель клетки.

Вирусы имеют уникальный геном, так как содержат либо ДНК, либо РНК. Поэтому их подразделяют на две группы – ДНК-геномные и РНК-геномные.

Химический состав вирусов прост. Кроме нуклеиновой кислоты и белков, они содержат липиды и углеводы в составе наружных оболочек. У бактериофагов обнаружены ферменты.

Вирусы разнообразны по форме и имеют сложное строение. Различают следующие формы вирусов: палочковидную, нитевидную, сферическую, кубовидную, булавовидную (рис. 21).

У простоустроенных вирусов нуклеиновая кислота связана с белковой оболочкой (капсид). Капсид состоит из повторяющихся морфологических субъединиц – капсомеров. Нуклеиновая кислота и капсид, взаимодействуя друг с другом, образуют нуклеокапсид. У сложноустроенных вирусов капсид окружен дополнительной липопротеидной оболочкой – суперкапсидом, имеющей «шипы». Для многих вирусов бактерий (фагов) характерен сложный тип симметрии: головка фага имеет форму многогранника, хвостовой отросток – форму цилиндра. Капсид и суперкапсид защищают вирионы от влияния окружающей среды, обусловливают избирательное взаимодействие с клетками, определяют антигенные и иммуногенные свойства вирионов.

Клетка – это основной структурный, функциональный и воспроизводящий элемент живого организма, его элементарная биологическая система. В зависимости от строения и набору органоидов клетки все организмы разделены на царства – прокариоты и эукариоты. Клетки растений и животных отнесены к царству эукариот. Они имеют ряд сходств и различий.

Общие признаки: мембранное строение органоидов; наличие сформированного ядра, содержащего хромосомный набор; похожий набор органоидов, характерный для всех эукариотов; сходство химического состава клеток; сходство процессов непрямого деления клетки (митоз); сходство функциональных свойств (биосинтез белка), использование преобразования энергии; участие в процессе размножения.

Органоиды	Растительная клетка	Животная клетка
Целлюлозная клеточная стенка	Расположена поверх клеточной мембраны	Отсутствует
Пластиды	Хлоропласты, хромопласте, лейкопласты	Отсутствуют
Способ питания	Автотрофный (фототрофный)	Гетеротрофный (сапротрофный, паразитический)
Клеточный центр	У низших растений	Во всех клетках
Включения	Запасные питательные вещества в виде зерен крахмала, белка, капель масла; вакуоли с клеточным соком; кристаллы солей	Запасные питательные вещества в виде зерен и капель (белки, жиры, углевод гликоген); конечные продукты обмена, кристаллы солей; пигменты
Вакуоли	Крупные полости, заполненные клеточным соком – водным раствором различных веществ, являющихся запасными или конечными продуктами. Осмотические резервуары клетки.	Сократительные, пищеварительные вакуоли. Конечно мелкие.
Синтез АТФ	В хлоропластах, митохондриях	В митохондриях
Особенности обмена веществ	Процессы синтеза имеют преимущество над процессами распада	Процессы распада имеют преимущество над процессами синтеза

Вывод: сходство в структурно-функциональной организации растительной и животной клетки свидетельствует об их общем происхождении и принадлежности их к эукариотам. Их различия связаны с разным способом питания: растения – автотрофы, а животные –гетеротрофы.

Живая клетка – основа биологических систем

Биотехнологические процессы основываются на функционировании клетки и изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. Именно поэтому необходимо знать общие закономерности жизнедеятельности клетки, чтобы управлять ростом и метаболизмом биологических агентов и получать целевой продукт с максимальным выходом при высокой интенсивности процесса. Таким образом, биотехнология начинается с познания живой клетки и законов управления процессами жизнедеятельности.

Если рассматривать клетки растений и животных, то в общих чертах их строение одинаково. Однако со строго научной точки зрения четкая граница между растительными и другими живыми существами проходит на микроскопическом уровне (рис.2). К структурным элементам, общим для животной и растительной клеток, относятся мембраны, ядро, митохондрии, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи, вакуоли и эндоплазматический ретикулум. Кроме того, в соответствии с современными представлениями можно выделить следующие структурные компоненты клетки:

1) мембранная система;

2) цитоплазматический матрикс;

3) клеточные органеллы;

4) клеточные включения.

Мембранная система представлена клеточной цитоплазматической мембраной, эндоплазматическим ретикулумом (сетью) и аппаратом Гольджи.

1.2. . По мере того как увеличивается население Земли и развивается промышленность, все более серьезной становится проблема защиты окружающей среды. В решении такого рода задачбиотехнологияиграет все возрастающую роль, в частности, в том, что касается разработки новых или усовершенствовании существующих способов переработки отходов. Новейшие процессы переработки необычных отходов будут основаны на использованиимикроорганизмов, обладающих новыми, неизвестными ранее или искусственно созданнымикатаболическимиспособностями.

Процесс минерализации органических отбросов, основанный на использовании активного ила, был разработан в 1914 году. С тех пор он был существенно модернизирован, стал более сложным и производительным и используется сегодня во всем мире для переработки стоков.

Также большие надежды возлагаются и на биоинженерию. Разработкабиодатчиковпоможет осуществлять мониторинг и контролировать условия среды. Биоиндикаторами называются живые организмы или их сообщества, жизненные функции которых тесно коррелируют с определенными факторами среды, что могут применяться для их оценки.

Назовем основные биотехнологические процессы, используемые в практике природоохранных технологий:

1. Биологическая очистка стоков. Существуют микроорганизмы, для которых загрязнения, содержащиеся всточных водах, являются питательными веществами. В начале XX века произошла революция в городском хозяйстве, когда был предложен метод аэробной биологической очистки сточных вод с помощьюактивного ила— сложной смеси микроорганизмов. Хотя при этом требуется перемешивать жидкость и непрерывноаэрироватьее воздухом, такой способ позволяет перерабатывать большие объемы стоков с самыми разнообразными загрязнениями — от хозяйственно-бытовых до промышленных.

2. Биосорбция тяжелых металловиз стоков. Обычная очистка стоков удаляет из них в основном органические загрязнения. Если же в стоках содержатся тяжелые металлы, такие, какмедь,никель,хром,свинеци другие, то требуются дополнительные методы очистки, например биотехнологические. Имеются определенные видымикроорганизмов, которые способны осаждать на себе (сорбировать) металлы, растворенные в жидкости. Концентрация металлов при этом возрастает настолько, что после тепловой обработки биосорбент можно рассматривать как сырье для полученияцветных металлов.

3. Биокомпостирование твердых отходов. Твердые отходы смешиваются с микроорганизмами, разлагающими вредные загрязнения, и балластным материалом типа торфа, который обеспечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Это позволяет превратить отходы в удобрение или просто использовать их в качестве подсыпки для дорог, в строительстве и в других случаях.

4. Биологическая очистка газовых выбросов. Многие выбросы в атмосферу содержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их очистки применяют биофильтры, заполненные насадкой, на которой закреплены специальные микроорганизмы. Вредные примеси сорбируются на насадке и затем потребляются и обезвреживаются микроорганизмами.

5. Биодеградация нефтяных загрязнений на почве и воде. При аварийных разливах нефти используют биотехнологические способы восстановления загрязненных территорий, которые обрабатывают специально выращенными нефтеокисляющими микроорганизмами, внося различные добавки для их азотистого и фосфорного питания, что позволяет утилизировать углеводородынефти, превращая их в биомассу микроорганизмов идиоксид углерода.

6. Биодеградация химических пестицидов и инсектицидов. Для борьбы с сорняками и вредителями растений часто используют химические пестицидыиинсектициды. Они действуют жестко и в короткое время ликвидируют сорняки и вредителей на обработанном участке. Однако в дальнейшем возникают проблемы: пестициды создают химическую опасность, сохраняясь на растениях или попадая в поверхностные природные воды. Чтобы это исключить, разработаны биопрепараты из специфических микроорганизмов илиферментов, позволяющих ускорить деградацию пестицидов.

7. Борьба с накоплением метана в шахтах. От метанав шахтах трудно освободиться: нужна очень сильная вентиляция, чтобы снизить концентрацию ниже взрывоопасного предела. Биотехнологи предложили вносить в шахты — в отработанные штреки — суспензию микроорганизмов, способных потреблять метан. Это позволяет снижать концентрацию метана.

8. Обессеривание нефти и каменного угля. Имеются микроорганизмы, способные переводить серу из сульфидовимеркаптановв элементнуюсеру. На основе использования таких микроорганизмов разрабатывают технологии обессеривания угля и нефти. В результате и топливо электростанций, и моторное топливо автомобилей становится более экологичным — дает меньше выбросовдиоксида серыв атмосферу.

9. Обогащение воздуха кислородом. Хотя диоксид углерода— продукт дыхания многих живых существ — считается безвредным, все же в повышенных концентрациях он оказывает неблагоприятное воздействие на животный мир и человека. Работа многих промышленных предприятий, тепловых электростанций приводит к постепенному повышению его концентрации в атмосфере. Следствием этого может стать глобальное потепление на Земле, связанное с так называемым «парниковым эффектом». Сейчас роль очистителя атмосферы отдиоксида углеродаиграют травянистые растения и деревья, но уменьшение зеленого покрова в связи сурбанизациейподрывает сами основы существования человечества.Для поглощения выдыхаемого диоксида углерода и восполнения убыли кислорода давно предлагалось культивирование микроводорослей (илицианобактерий)хлорелла, которые под действием солнечного света позволяют решать эту задачу. Может быть, этот прием в дальнейшем будут использовать и в более крупных масштабах, например для улавливания углекислоты в выбросах тепловых электростанций.