Если представить себе ресторан, в котором подают различных бактерий, то меню такого заведения состояло бы из многих томов, а посетители и за несколько лет не смогли бы "перепробовать" все блюда. Список одних только названий разделов в таком меню занял бы не одну страницу: бактерии самого необычного внешнего вида, бактерии всех цветов радуги, бактерии с самым необычным рационом, самые древние бактерии. Похоже, на нашей планете не существует ни одного места, где бы не было обнаружено бактерий.
Бактерии – одноклеточные организмы, не имеющие оформленного ядра. То есть, их ДНК находится не в отдельном компартменте, а погружена прямо в содержимое клетки. Это ключевое отличие бактерий от ядерных организмов, или эукариот, на основании которого бактерий выделили в отдельное царство.
Бактерии имеют относительно простую клеточную организацию, и именно они стали одними из первых существ, заселившими нашу планету. За миллионы лет бактерии смогли освоить практически все экологические ниши. Чтобы приспособиться к необычным местам обитания, им пришлось развить необычные функции. Они научились питаться светом, нефтью, жить в арктическом холоде и в кипящей воде, собирать свой геном из кусков и синтезировать сотни тысяч геномов. Опишем подробнее самые необычные пункты бактериального меню.
Всеядные
Из-за быстрого размножения бактерии постоянно находятся в условиях жесткой конкуренции. Чтобы выжить, они научились находить источники пищи практически во всем. Самым очевидным и доступным стал солнечный свет. С его помощью получают энергию, например, цианобактерии, которых также называют сине-зелеными водорослями. Они получают необходимую для жизни энергию с помощью процесса оксигенного фотосинтеза, для которого необходимы только свет, вода и углекислый газ. В качестве побочного продукта фотосинтеза выделяется кислород. Именно цианобактерии насытили атмосферу Земли кислородом, без которого не может существовать большинство организмов.
Стремясь обеспечить себе спокойное существование, некоторые бактерии предпочли найти другие источники питания. Для этого им потребовалось серьезно изменить свою клеточную организацию, однако такая перестройка позволила занять свободную экологическую нишу. Несколько групп бактерий развили способность перерабатывать нефть. Бактерии, относящиеся к родам Pseudomonas, Bacillus, Serratia, Alcaligenes, осложняют жизнь нефтяникам, разлагая различные составляющие нефти до простых углеводородов. Однако бактерии с такими нестандартные пищевыми пристрастиями могут приносить и пользу. В настоящее время ученые из разных стран активно разрабатывают технологии очистки воды после разливов нефти с помощью нефтеокисляющих бактерий.
Некоторые бактерии, живущие в почве, научились питаться веществами, специально созданными для их уничтожения. Ученые обнаружили несколько сотен видов бактерий, которые могут использовать антибиотики в качестве единственного источника питания. Такие бактерии потенциально опасны для человека, даже если сами они не вызывают никаких заболеваний. Любители антибиотиков могут передавать свои гены патогенным микроорганизмам – такая практика весьма распространена среди бактерий.
Любители экстремальных температур
Несколько десятилетий назад ученые обнаружили в океане "черные курильщики" – уникальные геотермальные источники. "Черные курильщики" образуются, как правило, в рифтовых зонах, где сквозь трещины литосферных плит прорывается раскаленный газ, нагревающий воду до экстремально высоких температур – 300-400 градусов по Цельсию. В воде "курильщиков" растворены сероводород и сульфиды металлов, которые окрашивают ее в черный цвет.
Ученые не ожидали обнаружить жизнь в таких условиях, однако, к их удивлению, фауна "черных курильщиков" оказалась очень разнообразной. Каменистые склоны вокруг "курильщиков" населяют многочисленные бактерии. Температура воды вокруг склонов немного холоднее, чем в сердце "курильщика", – всего около 120 градусов Цельсия. Приспособившиеся к кипятку бактерии процветают – естественных конкурентов у них нет.
В толще льда, покрывающей подледное озеро Восток в Антарктиде, были найдены несколько видов бактерий. Они, правда, были скорее мертвыми, чем живыми. Ученые определили, что найденные бактерии являются термофильными – то есть, предпочитают жить при повышенных температурах. Исследователи выдвинули гипотезу, согласно которой в озере Восток есть или были теплые источники, которые подогревали воду озера.
Кстати, именно бактерии оказались ответственными за образование снежинок. Недавно ученые обнаружили, что "затравкой" для их формирования во многих случаях являются патогенные для растений микроорганизмы Pseudomonas syringae. Лучше всего они "стимулируют" рост кристаллических ледяных структур при температурах от минус семи градусов по Цельсию до нуля.
Самые стойкие бактерии
Рентгеновское или гамма-излучение смертельно опасно для живых организмов. Оно вызывает разрывы в ДНК, а в больших дозах в буквальном смысле разрывает ее на куски. Однако некоторые бактерии прекрасно переносят гамма-излучение. Речь идет о Deinococcus radiodurans. Эта бактерия размножается после получения дозы радиации, почти в тысячу раз превышающей смертельную для человека дозу. Уникальный организм полностью восстанавливает свой геном всего за шесть часов. Секрет заключается в том, что Deinococcus radiodurans несет не одну, как большинство бактерий, а несколько копий своей ДНК. При облучении разрывы в каждой из копий происходят в разных местах, поэтому бактерия может сложить целую мозаику из имеющихся кусков.
Самые запасливые бактерии
Кстати, Deinococcus radiodurans - далеко не чемпионы по количеству копий своего генома. Недавно ученым-микробиологам удалось установить, что бактерии из рода Epulopiscium несут в каждой клетке около 200 тысяч геномных копий. Причем их число коррелирует с размером бактериальной клетки. Эволюционное и экологическое значение такой особенности пока неясно. Кстати, Epulopiscium отличает еще одна черта – их размер. Клетки этих микроорганизмов могут достигать 600 микрометров, при том что средний размер бактериальной клетки колеблется от 0,5 до 5 микрометров.
Самые большие и маленькие
В принципе, большой размер для бактерий является недостатком, так как у них отсутствуют специальные механизмы поглощения питательных веществ. Большинство бактерий получает пищу путем простой диффузии. Чем больше размер бактериальной клетки, тем меньше для нее отношение площади поверхности к объему, а значит тем труднее для нее получить необходимое количество пищи. То есть, большие бактерии обречены на голодание. Правда, у гигантов есть своя правда. Благодаря размеру они являются трудной добычей для бактерий-хищников, которые поедают жертв, "обтекая" и переваривая их.
Самые маленькие бактерии по размеру сравнимы с крупными вирусами. Например, микоплазма Mycoplasma mycoides не превышает 0,25 микрометра. Согласно теоретическим подсчетам, сферическая клетка диаметром менее 0,15-0,20 микрометров становится неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не помещаются все необходимые структуры.
Самые многочисленные
Наконец, бактерии являются основными жителями планеты Земля. Их численность оценивается цифрой с 30 нулями (примерно 4-6*1030), а общая биомасса составляет около 550 миллиардов тонн. Каждый день ученые открывают несколько новых видов бактерий. Кроме того, благодаря быстрому размножению и высокой скорости мутирования, бактерии постоянно образуют новые виды. Все новые и новые виды.