Какви бактерии влизат в симбиоза с растенията. Симбиози на микроорганизми и морски животни
Описаните по-горе чревни микроорганизми са в симбиоза с бозайниците, в чиито тела живеят. Симбиозата (буквално съжителство) е връзка между два организма, при която всеки организъм се възползва от присъствието на другия и не може да съществува без него. Например кравата, която живее в Африка, прекарва по-голямата част от живота си в кълване на паразити от кожата на африканските тревопасни бозайници. В същото време на птицата се осигурява храна, а бозайникът се отървава от паразити, които биха могли да застрашат здравето му.
Симбиотичните бактерии живеят както в храносмилателния тракт, така и по повърхността на тялото на почти всички гръбначни животни; Тези бактерии са необходими за нормалното функциониране на животинския организъм. За научно изследванеживотните понякога се отглеждат при стерилни условия. Такива животни, които нямат обичайния набор от симбиотични бактерии, са много по-слаби от нормалните си роднини. Много стерилни животни умират от бактериални инфекциикоито не вредят на нормалните животни. Какво е предимството да живееш в такъв близък контакт със симбиотични бактерии?
Симбиотичните бактерии, които живеят в храносмилателния тракт на човека ("чревни симбионти") го снабдяват с витамини, аминокиселини и енергия. Някои бактерии синтезират аминокиселини от урея и амоняк, на което животните не са способни. Това е особено важно, ако храната съдържа малко протеини. Най-добрите хора за използване на чревни симбионти са преживните животни, чийто храносмилателен тракт е обитаван от много бактерии, които синтезират витамини; благодарение на това нуждата им от витамини е много по-малка от
През последните десетилетия симбиозите на микроорганизми и морски животни привличат голямо внимание от страна на изследователите, въпреки че първата от тях, със светещи бактерии, е описана от R. Pierantoni през 1918 г. Сега е известно, че в червата на много морски животни ( риби, мекотели и др.) развиват светещи бактерии - представители на род фотобактерия, вибрион,които имат хитиназна активност, необходима за хидролизата на планктонните черупки - основната храна на повечето относително големи морски животни. Сиянието (биолуминесценция) възниква поради ензима луцифераза и се регулира от кворумната система: няма сияние при ниски концентрации на микробни клетки, живеещи в морска вода, и рязко се увеличава, когато популацията достигне критична плътност (кворум) в животинските организми. Светещите бактерии също могат да бъдат част от високоспециализирани симбиотични системи, които не са свързани с храносмилането. В същото време те обитават, достигайки плътност от 10 m клетки/ml, специални кухи органи от ектодермален произход - бактериофотофори,които са свързани отделителен каналс външната среда. Следователно такива връзки са ектосимбиози.
Някои главоноги имат спомагателни органи, напомнящи рефлектори и лещи, които подсилват силата на сиянието. Светещите органи изпълняват различни функции при половото размножаване, във взаимоотношенията между организмите в популацията и са важни за плашенето на враговете. Например блясъкът на главоногите Euphymna scolopes,рязко нарастващ през нощта поради ефекта на кворума, им осигурява сравнителна безопасност, предпазвайки ги от атаки от хищници отдолу, тъй като от дълбините на океана сиянието е подобно на лунна светлина и тялото на мекотелото губи сянка. Плътността на бактериалната популация и следователно ефектът на светене се регулира от самия мекотел през деня.
За гъбите основният източник на хранене е бактериалната част на планктона. Ендобионтите на гъби (представители на около 20 рода хетеротрофни бактерии, както и фототрофни цианобактерии) поддържат филтрационната активност на животните, като почистват каналите вътре в тялото на гъбите с бактериални хидролази, а също така снабдяват своите гостоприемници с комплекс от витамини и други биологично активни съединения. Симбионтите живеят предимно в бактериоцити, достигайки 40% от общата маса на гъбените клетки.
Симбиотичен чревна микрофлорарибата също участва в унищожаването на хранителния материал (планктон, водорасли), защитава гостоприемниците от вирулентни морски микроорганизми. Например, в червата на няколко вида риби-хирурзи са открити гигантски (с дължина до 600 µm) грам-положителни прокариоти-ендобионти, които са разделени в специално семейство Epulopisciaceae. Техните клетки, покрити с дебела кутикула и снабдени с флагели, са способни на зелена флуоресценция. Някои характеристики на тези прокариоти са подобни на тези на протистите, например електронно-плътна тубулна мрежа от мембрани в цитоплазмата, способността на разделените клетки да остават в обща черупка. Според резултатите от анализа на 16S рРНК, представител на това семейство Epulopiscium fishelsoni -ендобионт на риба, живееща в Червено море Acanthurus nigrofuscus, близо до Metabacterium polyspora.Смята се, че в резултат на коеволюцията на рибите акантуриди и техните микробионти, започнала преди повече от 60 милиона години, свободно живеещите форми на тези уникални прокариоти не са запазени. По същата причина ресничките от червата на термитите и много други микробионти в момента са известни само като облигатни ендобионти.
Бактериите-симбионти на червата на морските животни участват не само в кухиното или извънклетъчното храносмилане. Резидентната микрофлора на морските животни, като гъби и мекотели, също отделя много ензими, които хидролизират храната, която се използва предимно от гостоприемника. Ето как работи симбионтно храносмилане.В този случай способността на хидролазите да разрушават клетъчните мембрани на бактериите, съществена част от планктонната храна на много животни, е решаваща. IN този процесВажна роля играят лизозимите – ензими, които хидролизират пептидогликаните. На свой ред много бактерии, напр коли, секретират лизозимни инхибитори.
Лизозим-антилизозимни взаимодействияиграят важна роля в поддържането на стабилността на водните биоценози.
Мида мида, обитател на северните морета Clamys islandicaсъхранява лизозимоподобния ензим хламизин в стомашно-чревния си тракт под формата на кристални включвания, натрупвайки го за интензивна хидролиза на планктонни бактерии. Този лизозим не само лизира бактериалните клетъчни стени по известен механизъм, но също така проявява антимикробен ефект дори след загуба на ензимна активност, разрушавайки бактериалната цитоплазмена мембрана. Това дава възможност за ефективно преодоляване на антилизозимната активност на бактериите.
Неензимната антимикробна активност, показана за няколко други лизозима, е един пример полифункционалност на протеините.В съответствие с принципа на геномната икономика, някои протеини са способни да проявяват не една, а две различни дейности, обикновено извършвани от различни части на техните молекули чрез различни механизми. Полифункционалността е особено важна, когато микроорганизмите влизат в различни биотични взаимоотношения. Да, лектини. Bacillus polymyxaне само се свързват с въглехидратните остатъци на клетъчната повърхност, но имат и протеолитична активност; някои силно специфични протеинови токсини, които убиват животни (напр. плач-катерици Bacillus thuringiensis), заедно с това те проявяват и по-малко специфичен антимикробен ефект.
Ролята на прокариотите в дълбоководните симбиозие решаващо. Един от ярки примериморски симбиози - специални екосистеми на океанското дъно на дълбочина от няколко километра, в градиентни условия между анаеробни и аеробни. Живот при такива условия е открит за първи път през 1977 г. около хидротермални отвори. Местообитанията в близост до хидротермални извори се отличават не само с наличието висока температура, но и обогатени с редуцирани съединения - сероводород, метан, водород, двувалентни йони на желязо, манган, сулфит и др. Такива условия са много благоприятни за бактериална хемосинтеза и/или окисление на метан.
В други биотопи в океана също се откриват повишени концентрации на редуцирани съединения. Всички такива биотопи бяха наречени възстановителни - в допълнение към хидротермалните извори, това са студени метанови просмуквания (просмуквания), зони с минимум кислород, изолирани или полуизолирани резервоари като фиорди, гробища на органични вещества (например трупове на китове), и др. Най-интензивно развитие на живота се наблюдава във възстановителните биотопи, свързани с дълбоки източници на топлина. Смята се, че районите, където са концентрирани хидротермални системи, заемат до "/3 от площта на Световния океан. Често на тези места се образуват вертикални геоложки структури от сулфиди и серен анхидрид с височина до 25 m - " черни пушачи."Продължителността на живота им е няколкостотин хиляди години. В устата на „пушача“ температурата може да достигне 400 °C и по-висока, но бързо пада. Има и по-малко нагрявани „бели пушачи“. Черен дим с много високо съдържание на сероводород излиза от горната част на черните пушачи. В този „дим” и на повърхността на комините на пушачките, където температурата е 10-25 °C, са открити високоспецифични представители на 20 вида животни: реснички, саркомастигофорани, турбеларии, нематоди, олигохети, встстиментифи, ротифери и др. , Тези животински общности заемат относително малки площидъно, но достигат значителна биомаса. Много от тях имат значително големи размериотколкото техните „роднини“, живеещи на плитки дълбочини (например vestimentifera - до 15 m дължина с ширина няколко милиметра, мекотели - до 30 cm дължина). Първичната продукция, консумирана от тези животни, се основава основно на енергията на хемосинтезата.
Многоклетъчните животни успяха да развият ново жизнено пространство на големи дълбочини на Световния океан, като влязоха в симбиоза с xsmosynthetic прокариоти, а често и с метанотрофи. Това даде възможност на многоклетъчните животни не само да преминат към нови източници на храна, но и да овладеят нов начинхранене - симбиотрофно храненепоради биомасата на прокариотите, образувана в резултат на хемосинтеза и/или метанотрофия. В този случай прокариотите използват реакциите на окисляване на сяра, метан и други редуцирани съединения като енергийни източници и необходимия кислород и въглероден двуокисмикробионтите се доставят от техните животински гостоприемници. Освен това, благодарение на такива симбиози, животните успяха да се адаптират към присъствието на смъртоносен сероводород, както и да оцелеят при честа хипоксия и значителни температурни промени в продължение на няколко минути.
За да се осигури симбиоза между многоклетъчни животни и хемоавтотрофни и/или метанотрофни бактерии, трябва да бъдат изпълнени едновременно две условия: наличие на кислород за организма гостоприемник и редуцирани съединения за симбионтните бактерии (реакциите на хемосинтеза също изискват кислород). Възможно е да се осигурят такива условия само на границата на окислителните и редукционните зони, следователно фауната на редукционните условия е ограничена до зоната на смесване на редуцирания разтвор с морска вода. За да използват едновременно кислород и сероводород, които се отделят в пространството, животните са принудени да се ровят в земята, така че частта от тялото, стърчаща над утайката, се озовава в окислената зона, а кракът прониква дълбоко в почвата, обогатена със сероводород. Свободно плуващите организми, като ротатори и ресничести, използват разделянето на процесите на асимилация на кислород и сероводород във времето поради алтернативно движение в окислени и редуцирани условия.
Първото изследвано животно, което в зряла възраст е било почти изцяло зависимо от симбиотрофно хранене, е vestimentifera Riftia pachyphita. Храносмилателен трактлипсва, обменът на вещества с външната среда става през епидермиса. Храненето се осигурява от процеси, протичащи в трофозоми- специализирани области на животинска тъкан, в т.ч бактериоцитни клетки.Нови бактериоцити възникват поради разделянето на неспециализирани клетки в близост кръвоносни съдове riftia и се заразяват с бактерии от близките заразени клетки. Постепенно бактериоцитите се преместват в периферната зона, където започва лизиране на бактериите, използвани от гостоприемника като храна. Серните бактерии, обитаващи трофозомата, окисляват сероводорода до SO4." Като източник на въглерод те използват въглероден диоксид, който навлиза в бактериоцитите през кръвоносна системасобственик.
Съдържанието на ензими от цикъла на Калвин-Бенсън, регистрирано в вестиментиферанската трофозома, е най-високото сред всички известни случаисимбиоза на безгръбначни с хемоавтотрофни бактерии. Микробионтите заемат до 35% от общия обем на трофозомата, тяхната плътност достига 10 милиарда клетки на 1 g влажна биомаса на този орган и само сулфидите стимулират усвояването на кислород от ендобионтите. Благодарение на способността на последните да образуват съдържащи сяра аминокиселини (таурин и неговите аналози, които могат да служат като капан за сулфиди), животинските клетки са защитени от токсичен ефект високи концентрациисулфиди. Тиотауринът, който се натрупва в този случай, е резерв за по-нататъшно използване от симбионтите. Изследванията на нуклеотидната последователност в 16S rRNA показват, че симбионтите на един гостоприемник са представени от един вид бактерии. Сулфид-окисляващите ендобионти vestimentifera принадлежат към подгрупата на протеобактериите. Те приличат на представители на thiobacillus или Тиомикроспира.
Наличието на хемоавтотрофни микробионти също е доказано в хрилете на гастроподите. В този случай бяха идентифицирани тионни ендобионтни бактерии: дълги пръчковидни и къси дебели вибриони. Те също се намират в бактериоцитите и заемат поне 60-70% от пространството на последните. Различна картина се наблюдава при двучерупчестите, в хрилете на които е открито окисление на метан, което практически не се наблюдава при рифтови мекотели. Този процес се осъществява от грам-отрицателни метанотрофи. Морфологично те са близки до представителите на рода Methylobacter. M. vinelandii, M. whiltenburyi.В хрилните тъкани на мекотело Ifremeria nautileiБяха открити както хемоавтотрофни, така и метанотрофни ендобионти, което позволява на мекотелото да използва енергийния потенциал както на неорганичните редуцирани серни съединения, така и на метана. Мекотелите и техните ендобионти са толкова тясно свързани, че се наблюдава паралелно видообразуване. Има тенденция към частично намаление храносмилателната системапри мекотелите (при vestimentiferans напълно липсва), но при определени условия се хранят и сапротрофно.
За симбиотрофно хранене морските животни могат да използват и автотрофни епибионти. Най-често са безцветни хемоавтотрофи, окисляващи сярата. Покрийте кутикулата на морските нематоди Euboslrichus parasitiferus, Laxus onieslus,както и други нематоди от подсем Stibonematinae y-протеобактерии, свързани с ендемични животински ендобионти от хидротермални зони. Тези автотрофи, окисляващи сярата, често живеят като монокултура в тялото на гостоприемника, както се потвърждава от анализ на тяхната 16S rRNA. Те имат формата на нишки или пръчки и покриват цялото тяло на нематодите в един слой. Има и кокоидни форми, които образуват множество слоеве над монослой от нишковидни форми. Колониалните нишковидни реснички също се хранят предимно с епибионти Zoothamnium niveum,както и скариди - представители на рода римикарис,Например Rimicaris exoculata.Техните епибионти се класифицират като е-протеобактерии, включително представители на рода Тиовулум.
Морските животни и техните автотрофни епибионти, подобно на ендобионтите, еволюират съвместно. Например, в скаридите епибионтите живеят на специални разклонени придатъци - бактериофори. Честотата на делене на епибионтите корелира с промяната в кутикулата на техните гостоприемници. За развитието на всички тези прокариоти са необходими условия, при които сулфат-редукторите разграждат органичния материал и се образува сулфид, като тяхното развитие е най-интензивно в градиенти на сулфид и кислород. Епибионтите абсорбират въглерода автотрофно и получават енергия от окисляването на сярата.
Известно е и за субкутикуларен(живеещи между ектодермата и кутикулата) бактерии, коеволюиращи в симбиоза с различни бодлокожи. Например, смята се, че симбиозата на офиуридите Ophiactis balli (Ехинодермата: Ophiuroidea)с субкутикуларни ss-протеобактерии, развити в палеозоя. Членовете на тази симбиоза споделят азотния метаболизъм. Микробионтите ясно се различават от вече описаните основни групи морски симбиотични бактерии, тъй като са свързани с представители на рода Rhizobium.
Доскоро се смяташе, че животът на възстановени дълбоководни биотопи зависи изцяло от хемосинтезата, че той е възможен изключително благодарение на геотермалната енергия и не зависи от енергията на Слънцето. Сега обаче учените смятат това мнение за неправилно. Първо, уникалните дълбоководни организми се нуждаят от кислород, продукт на фотосинтезата. Освен това ларвите на много безгръбначни животни плуват и се хранят с растителни остатъци. След това липидите, натрупани поради такова хранене, се използват по време на периода на симбиотрофно хранене. Това явление е показано дори за vestimentifera, които нямат храносмилателна система като възрастни.
Мутуалистичните симбиози с микроорганизми играят много важна роля важна роляв еволюцията на биосистемите. Именно благодарение на тях възникват и се развиват еволюционно едноклетъчните, а след това и многоклетъчните еукариоти, които успешно устояват на борбата за съществуване, което значително увеличава разнообразието и красотата на биосферата на Земята. Животните са се приспособили да използват ефективно растителни храни, богати на целулоза, включително груби влакна от стволовете на треви и дървета. Благодарение на това значително се е увеличило количеството консумирана първична органична материя. Това направи възможно животните да се размножават по-интензивно в различни екологични нишии значително разшири броя на тези ниши. Храносмилането с участието на микроценози играе решаваща роля за повишаване на интензивността на метаболитните процеси при животните, особено при бозайниците, което е един от факторите, допринасящи за установяването на тяхната топлокръвност. Симбиозите с прокариоти позволиха на значителна част от безгръбначните животни да се разпространят широко и да се размножават интензивно благодарение на симбиотрофното храносмилане, дори в такива „неподходящи“ места за живот като дъното на Световния океан. Нека също да отбележим, че микробионтите отделят много уникални токсини, антибиотици, ензими, техните инхибитори, мастни киселини(като екзопентаенова), антивирусни вещества, някои от които могат да се използват от хора.
Изследването на взаимодействието на бактериите с други организми е един от основните клонове на микробиологията. Получавайки и усвоявайки знания за това взаимодействие, човек може да определи границите на влиянието на бактериите върху околната среда и съответно върху безопасността на човешката общност. Симбиозата, характерна за нодулните бактерии, различни бактериални ендосимбиози и екзосимбиози - всички тези процеси са неразделна част от органичния свят около хората и фундаментално влияят върху състоянието на обекти от неорганична природа.
Микробиологията дава няколко класификации на бактериалните симбиози:
Коменсализмът е отделен въпрос. Това е връзка между бактерия и друг организъм, при която един от участниците има полза, а другият е безразличен към установената връзка и нейните продукти.
Съвместното съществуване на растения и бактерии е представено от почти всички видове симбиози. Едно от най-често срещаните е факултативното съжителство на азотфиксиращи микроорганизми и бобови растения.
Представителите на семейството на азотфиксиращите бактерии Rhizobiaceae образуват така наречените коренови възли върху корените на бобовите растения, в които атмосферен азотсе превръщат в органични азотсъдържащи съединения. Благодарение на активността на азотфиксиращите микроорганизми, ризосферата (почвата около корените на бобовите растения) се насища с азотсъдържаща органична материя. В допълнение, самите бобови растения (например грах) консумират отпадъчни продукти от азотфиксиращи бактерии.
Поради високо съдържаниеорганичният азот в бобови растения, грах, боб и други продукти от тази група се препоръчват за употреба при чревни заболявания и за профилактика онкологични заболяванияхраносмилателни системи.
Грахът, богат на растителни протеини, е от съществено значение диетичен продуктв случаите, когато на пациентите не се препоръчва да ядат храни, съдържащи животински протеин.Грахът също подобрява метаболизма, нормализира нивата на кръвната захар и подобрява работата на бъбреците и черния дроб.
Изучавайки механизма на взаимодействие на нодулните бактерии, човекът определи природата полезни свойстваграх и други варива, а днес всичко здравословни храниот тази симбиоза може да се произвежда синтетично във фармацевтични и индустриални лаборатории.
Човешко взаимодействие
Човекът постоянно живее в сътрудничество с голяма бактериална общност, представена от няколко десетки големи семейства. Само в кръвта и лимфата няма микроби. Всички останали органи и тъкани по един или друг начин влизат в контакт или със самите бактерии, или с продуктите на тяхната жизнена дейност.
Стомашно-чревния тракт
Стомашно-чревният тракт е обитаван от симбионти от семейство Enterobacteriaceae. Това е най-голямата общност, която включва родове чревни патогени и опортюнистични патогенни микроорганизми. Също така в стомашно-чревния тракт има голям бройпредставители на семейство Lactobacillus – тези микроорганизми създават кисела среда, който потиска активността на бактериални и вирусни патогени; Лактобацилите също почистват червата от гниене.
кожа
Човешката кожа е обитавана от микроорганизми не по-малко от стомашно-чревния тракт. По кожата присъстват Staphylococcus epidermidis, коринеформни бактерии, Proteus, пропионови бактерии, псевдомонади, чревни микроби и др.
Бактерии върху човешката кожа
Активността на микробите, обитаващи кожата, зависи от наличието на множество инхибиращи фактори, както и фактори, които стимулират развитието на благоприятна среда за растеж определен типбактерии. Веднага щом се създаде такава среда, определен тип веднага започва да преобладава в тази бактериална общност. бактериална формакоето най-често е придружено от инфекция кожата. При нормални условия, когато една група възпира друга, подобно взаимодействие е естествен биологичен щит.
Устна кухина
Установено е и наличие на бактериална симбиоза в устата, която регулира вътрешна среда устната кухинаи не ви позволява да активирате патогенна микрофлора, като по този начин предпазва тъканите на самата устна кухина и горната респираторен трактот инфекциозни заболявания.
Такова взаимодействие и действителната работа на бактериалната общност за защита на хората от патогени са универсален саморегулиращ се естествен механизъм, който много внимателно и своевременно реагира на всички промени в самия организъм и в заобикаляща среда. Поддържането на тази естествена защита е основен аспект на здравето.
Симбиоза от гъби и синьо-зелени водорасли
Някои от най-забележителните симбиози на бактерии и гъби са примери за съжителство на синьо-зелени водорасли (цианобактерии) и гъби. Тази симбиоза приема формата на добре познатия лишей.
Гъбичното тяло осигурява защитно жилище за бактериалната общност от синьо-зелени водорасли. Предпазва от изсушаване и осигурява редовно снабдяване с вода бактериални клетки, а самите водорасли, които са фотосинтезиращи организми, осигуряват гъбичките органични вещества, необходими за неговото хранене.