Conţinutul principal

Curs: Biblioteca de biologie > Unitatea 12

Lecția 2: Metabolismul procariotelor şi ecologia

Interacțiuni procariote și ecologie

Cooperare si "multicelularitate" in procariote. Mutualism, comensualism, parazitism. Cicluri de carbon si azot.

Puncte cheie:

Bacteriile pot fi foarte cooperante. Unele chiar formează structuri organizate foarte asemănătoare unui țesut pluricelular.
Biofilmele sunt colecții de microorganisme atașate la suprafață, care se unesc și fac schimb de nutrienți.
Unele procariote formează asocieri strânse cu plantele, animalele sau ciupercile. Acestea pot fi mutualismul (+/+), comensalismul (+/0), sau parazitismul (+/-).

Bacteria: Interactivă, în mod surprinzător!

Dacă spun bacterie, care este primul cuvânt care ne vine în minte? Șansele sunt, probabil, că nu este cooperantă. Cu toate acestea, bacteriile și alte procariote (arheele) se dovedesc a fi sociale și cooperante, mult mai mult decât au crezut biologii prima dată.

Unele bacterii cooperează în cadrul grupelor, împărțind sarcinile metabolice și împărțind produsele. Altele formează asociații cooperative cu un organism gazdă (deși unele formează și asociații neutre sau dăunătoare).

În acest articol, vom explora mai întâi modul în care bacteriile cooperează între ele și formează grupuri organizate (uneori aproape că par „pluricelulare”). Apoi, ne vom uita la unele dintre modurile în care interacționează cu alte specii.

Cooperarea și „pluricelularitatea” la bacterii

Bacteriile beneficiază adesea de pe urma cooperării reciproce. Această cooperare poate fi mai slabă sau poate fi coordonată până la punctul în care începe să arate foarte mult ca o pluricelularitate eucariotă!

Iată câteva exemple de cooperare bacteriană - te poți gândi singur dacă ele pot fi socotite, cu adevărat, pluricelulare sau nu (o întrebare permanentă și controversată în biologie).

^{1, 2}

Mixobacteriile

Mixobacteriile sunt bacterii din sol care interacționează pentru a forma grupuri coordonate (și chiar structuri complexe cu celule specializate). Când sunt disponibile multe resurse, mixobacteriile formează grupuri numite roiuri. Un roi se mișcă în mod coordonat și se alimentează secretând enzime digestive în sol și absorbind, mai apoi, materialul digerat.

^{3}

Dacă resursele sunt limitate, mixobacteriile se unesc pentru a forma structuri de tip pluricelular, numite sporocarpe (vezi imaginea de mai sus). În interiorul sporocarpelor, celulele se maturizează în structuri asemănătoare sporului, numite mixospori. Fiecare mixospor are un perete celular gros care îi permite să persiste pe o perioadă lungă de timp. Atunci când resursele devin disponibile, mixosporii germinează și un nou roi este produs.

^{3}

Cianobacterii care formează lanțuri

Cianobacteriile din genul Anabaena nu vor fi separate când sunt produse de fisiunea binară (diviziunea celulară bacteriană). În schimb, ele se îmbină în lanțuri de celule conectate, așa cum este prezentat în imaginea de mai jos.

Celulele cianobacteriene au capacitatea de a produce procesul de fotosinteză și de a fixa azot. Cu toate acestea, o singură celulă nu le poate face pe ambele, în același timp, deoarece oxigenul eliberat în fotosinteză blochează fixarea azotului (afectează enzimele de fixare a azotului).

^{4}

Pentru a rezolva această problemă, atunci când disponibilitatea azotului în mediu este scăzută, unele celule din lanț vor deveni celule numite heterociste. Heterociștii se specializează în fixarea azotului, spre deosebire de restul celulelor din lanț, care produc fotosinteza.

^{5}

Biofilme

Un biofilm este o colecție de microorganisme atașate la suprafață, ținute împreună de o substanță cleioasă (de obicei, carbohidrați) pe care o secretă ele însele. În multe cazuri, biofilmele se formează prin detectarea cvorumului. În procesul de detectare a cvorumului, bacteriile fac schimb continuu de semnale care le permit să detecteze densitatea populației și își schimbă comportamentul când densitatea depășește o anumită limită.

Biofilmele conțin adesea mai multe tipuri de bacterii sau alte microorganisme. În unele cazuri, diferitele componente ale biofilmului sunt complementare din punct de vedere metabolic, cu un tip care produce molecule și altul, care le utilizează. Biofilmele au de obicei canale permeabile de apă pentru schimbul de nutrienți și deșeuri, iar unii biologi le compară cu un "sistem circulator primitiv".

^{6}

Majoritatea bacteriilor din natură trăiesc, probabil, pe suprafețe, mai degrabă decât să plutească liber, iar biofilmele sunt practic peste tot. Ele se formează pe suprafețe casnice, precum ar fi blaturi de bucătărie, tocătoare, chiuvetele și toalete. Chiar și placa bacteriană care este dată jos de pe dinții tăi, de către dentist, este un biofilm!

Biofilmele primesc, adesea, cea mai mare atenție atunci când cauzează probleme. Biofilmele patogene (cele care cauzează boli), precum ar fi biofilmul Staphylococcus de mai sus, pot fi o problemă gravă în spitale. Acestea sunt adesea greu de ucis cu antibiotice și pot provoca infecții persistente dacă contaminează echipamente medicale, precum ar fi sondele. Alte biofilme corodează țevile metalice și deteriorează echipamentul industrial.

Cu toate acestea, unele biofilme au aplicații benefice. De exemplu, biofilmele sunt folosite în stațiile de epurare a apei pentru a îndepărta materia organică din canalizare.

Pluricelular sau nu?

În exemplele de mai sus, bacteriile interacționează prin cooperare. Într-o anumită măsură, comportamentul social al celulelor dintr-un biofilm este analog cu cooperarea celulelor dintr-un organism pluricelular. Anabaena și mixobacteriile sunt, cel puțin din punctul meu de vedere, chiar mai apropiate de pluricelular.

Unii oameni de știință susțin că aceste bacterii cooperante se califică drept organisme pluricelulare. Alții spun însă că procariotele nu pot fi cu adevărat pluricelulare și că acestea sunt doar grupuri de indivizi care cooperează (de exemplu, furnici dintr-un mușuroi). Procesul este încă în desfășurare, așa că tu vei fi judecătorul!

Bacterii mutualiste, comensale și parazite

Tocmai am văzut câteva cazuri speciale în care bacteriile interacționează pentru a forma asociații organizate (îndrăznim să spunem pluricelulare?). Cu toate acestea, multe tipuri de bacterii formează, de asemenea, relații strânse cu specii eucariote precum oamenii, trăind adesea în interiorul lor.

Trei tipuri importante de interacțiuni ecologice dintre specii sunt mutualismul, comensalismul și parazitismul. Bacteriile pot participa în toate cele trei tipuri de interacțiuni. De fapt, noi, oamenii, ne confruntăm cu o mulțime de bacterii din fiecare categorie!

Mutualism

Unele bacterii formează relații de mutualism, mutual benefice (+/+) între două organisme.

De exemplu, bacteriile Ruminococcus trăiesc în intestinul vacilor și descompun celuloza, un carbohidrat din iarbă, într-o formă pe care vaca o va putea utiliza. Fără aceste bacterii, vacile nu ar putea digera iarba pe care o mănâncă! În schimb, bacteriile primesc nutrienți și un loc asigurat unde pot să trăiască (în intestinul vacilor).

^{7}

Comensalismul

Bacteriile pot forma, de asemenea, relații de comensualism, în care unul dintre parteneri beneficiază, iar celălalt nu este afectat (+/0).

De exemplu, noi, oamenii, avem milioane de bacterii care trăiesc în organismul nostru și despre multe dintre ele se crede că au relații comensuale cu noi (de exemplu, hrănindu-le cu celule moarte sau cu produse metabolice). Cu toate acestea, de multe ori se întâmplă ca aceste relații comensuale să devină puțin mutualiste sau parazite (vezi mai jos) când sunt examinate cu atenție.

^{8}

Parazitismul

Parazitismul este o relație unde un organism beneficiază, iar celălalt este afectat (+/-). Bacteriile parazite sunt cele cu care noi, oamenii, suntem cei mai familiari și cele care le dau bacteriilor reputația rea de „viruși” periculoși.

Bacteriile care cauzează bolile umane își procură resurse din corpul uman și atacă gazda prin alte moduri, producând simptomele neplăcute ale unei infecții bacteriene.

Paraziții își pot afecta gazda în diferite moduri, precum ar fi invadarea țesuturilor, producerea toxinelor sau afectarea directă a celulelor gazdă.

^{9, 10}

Unii paraziți, precum este Toxoplasma gondii, cea care cauzează toxoplasmoza, ajung chiar direct în celulele gazdei lor.

Verifică dacă ai înțeles!

Mixobacteriile sunt bacterii din sol care trăiesc, de obicei, împreună într-un grup cooperativ numit roi. Când resursele devin puține, fiecare mixobacterie se unește pentru a produce un sporocarp, o structură pluricelulară care le permite anumitor celule să se maturizeze în spori (structuri specializate cu pereți celulari groși, care le pot rezista situațiilor dificile). Când condițiile devin favorabile, acești spori germinează pentru a produce un roi nou.
Cum ar putea formarea unui sporocarp să ajute populațiile de mixobacterii ca să supraviețuiască?
Selectează toate variantele corecte:
(Varianta A)
Asigurându-se că cel puțin unii membri ai grupului supraviețuiesc (ca spori) până când devin disponibile resursele.
(Varianta B)
Permițând dispersarea unora dintre bacterii din grup, descrescând concurența pentru resurse.
(Varianta C)
Asigurându-se că, atunci când condițiile sunt din nou favorabile, un grup de mixobacterii va germina, permițându-i populației să reia comportamentul de grup.
(Varianta D)
Prin generarea fructelor pe care mixobacteria le poate mânca
Atunci când condițiile sunt nefavorabile, mixobacteriile populației se reunesc pentru a forma sporocarpul, ceea ce înseamnă că indivizii nu se dispersează (părăsesc grupul).
De vreme ce sporii sunt protejați împotriva condițiilor dure (din cauza pereților celulari), aceștia pot rămâne inactivi și în siguranță până când condițiile devin favorabile. Acest lucru asigură supraviețuirea mixobacteriilor când condițiile sunt nefavorabile.
Într-un sporocarp, mai multe celule se maturizează în spori, ceea ce înseamnă că atunci când condițiile sunt din nou favorabile, multele mixobacterii vor germina. Astfel, va apărea un întreg grup de mixobacterii atunci când condițiile vor fi potrivite, ceea ce le va permite mixobacteriilor să-și reia viața sub formă de grup.
Formarea prin cooperare a unui sporocarp ar putea ajuta populațiile de mixobacterii să supraviețuiască:
Asigurându-se că cel puțin unii membri ai grupului supraviețuiesc (ca spori) până când devin disponibile resursele.
Asigurându-se că, atunci când condițiile sunt din nou favorabile, un grup de mixobacterii va germina, permițându-i populației să reia comportamentul de grup

Atribuții și referințe:

Acest articol este un derivat modificat al "Prokaryotic diversity," de OpenStax College, Biology CC BY 4.0. Descarcă gratuit articolul original de la http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.8.

Articolul modificat este licențiat sub o licență CC-BY-NC-SA 4.0.

Lucrări citate:

Gould, S. E. (2011, November 16). Bacteria with bodies - multicellular prokaryotes. In Scientific american. Retrieved from https://blogs.scientificamerican.com/lab-rat/bacteria-with-bodies-multicellular-prokaryotes/.
General, non-lecture-specific questions. (n.d.) In MCB 150 frequently asked questions. Retrieved October 29, 2016 from 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. Retrieved from 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 (10th ed., p. 576). San Francisco, CA: Pearson.
Starr, C. and Taggart, R. (2006). Domain bacteria. In Biology: The unity and diversity of life (11th ed., p. 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. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC99016/.
Cellulose degradation in the rumen. (2013, 27 April) Retrieved February 17, 2016 from 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. Retrieved from http://textbookofbacteriology.net/normalflora_2.html.
Pathogenic bacteria. (2016, May 18). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Pathogenic_bacteria.
Peterson, Johnny W. (1996). Pathogenic mechanisms. In S. Baron (ed.), Medical microbiology (4th ed., Ch. 7). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Retrieved from 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.

Referințe:

Biofilm. (2016, March 16). Retrieved March 20, 2006 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Biofilm .

Botox and its many uses. (2009, September). In Consumer reports. Retrieved from http://www.consumerreports.org/cro/2009/09/botox-and-its-many-uses/index.htm.

Cellulose degradation in the rumen. (2013, 27 April) Retrieved February 17, 2016 from Microbewiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Cellulose_Degradation_in_the_Rumen.

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

Gould, S. E. (2011, November 16). Bacteria with bodies - multicellular prokaryotes. In Scientific american. Retrieved from 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 November). Retrieved February 17, 2016 from 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, October 9). Prokaryotic metabolism. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/R8tUTi1x@10/Prokaryotic-Metabolism.

Pathogenic bacteria. (2016, May 18). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Pathogenic_bacteria.

Peterson, Johnny W. (1996). Pathogenic mechanisms. In S. Baron (ed.), Medical microbiology (4th ed., Ch. 7). Galveston, TX: University of Texas Medical Branch at Galveston. Retrieved from 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. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 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. In Campbell biology (10th ed., pp. 575-585). San Francisco, CA: Pearson.

Ryan, Meagan. (2011, March 11). Mutualism between humans and E.coli. In Themes of parasitology. Retrieved from http://bio390parasitology.blogspot.com/2011/03/mutualism-between-humans-and-e.html.

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

Wilkin, D. and Gray-Wilson, N. (2016, March 23). Symbiotic relationships of prokaryotes - Advanced. In CK-12 biology advanced concepts. Retrieved from 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. In Biology 110 - Basic concepts and biodiversity. Retrieved from https://wikispaces.psu.edu/display/110Master/Prokaryotes+II+-+Structure+and+Function.

Vrei să te alături conversației?

Conectare

Ordonare după:

Nici o postare încă.

Înțelegi engleza? Dă clic aici pentru a vedea mai multe discuții care au loc pe site-ul în limba engleză al Khan Academy.