Дружба людей и бактерий, дятлов и грибов, водорослей и моллюсков. что такое симбиоз и почему он

Симбиотическое происхождение митохондрий и пластид

В результате изучения последовательности оснований в митохондриальной ДНК были получены весьма убедительные доводы в пользу того, что прежде митохондрии были аэробными бактериями (прокариотами), родственными риккетсиям, поселившимися некогда в предковой эукариотической клетке и «научившимися» жить в ней в качестве симбионтов. Теперь митохондрии имеются почти во всех эукариотических клетках, размножаться вне клетки они уже не способны.

Существуют свидетельства того, что первоначально эндосимбиотические предки митохондрий не могли ни импортировать белки, ни экспортировать АТФ . Вероятно, первоначально они получали от клетки-хозяина пируват, а выгода для хозяина состояла в обезвреживании аэробными симбионтами токсичного для нуклеоцитоплазмы кислорода.

Подобно митохондриям, пластиды также имеют свои собственные прокариотические ДНК и рибосомы. По-видимому, хлоропласты произошли от фотосинтезирующих бактерий, поселившихся в свое время в гетеротрофных клетках протистов, превратив их в автотрофные водоросли.

2.1. Доказательства

Митохондрии и пластиды:

имеют две полностью замкнутые мембраны. При этом внешняя сходна с мембранами вакуолей, внутренняя — бактерий.
размножаются бинарным делением (причем делятся иногда независимо от деления клетки), никогда не синтезируются de novo.
генетический материал — кольцевая ДНК, не связанная с гистонами (По доле ГЦ ДНК митохондрий и пластид ближе к ДНК бактерий, чем к ядерной ДНК эукариот)
имеют свой аппарат синтеза белка — рибосомы и др.
рибосомы прокариотического типа — c константой седиментации 70S. По строению 16s рРНК близки к бактериальной.
некоторые белки этих органелл похожи по своей первичной структуре на аналогичные белки бактерий и не похожи на соответствующие белки цитоплазмы.

2.2. Проблемы

ДНК митохондрий и пластид, в отличие от ДНК большинства прокариот, содержат интроны.
В собственной ДНК митохондрий и хлоропластов закодирована только часть их белков, а остальные закодированы в ДНК ядра клетки. В ходе эволюции происходило «перетекание» части генетического материала из генома митохондрий и хлоропластов в ядерный геном. Этим объясняется тот факт, что ни хлоропласты, ни митохондрии не могут более существовать (размножаться) независимо.
Не решён вопрос о происхождении ядерно-цитоплазматического компонента (ЯЦК), захватившего прото-митохондрии. Ни бактерии, ни археи не способны к фагоцитозу, питаясь исключительно осмотрофно. Молекулярно-биологические и биохимические исследования указывают на химерную архейно-бактериальную сущность ЯЦК. Как произошло слияние организмов из двух доменов, также не ясно.

Коммерческое использование симбионтов

Неудивительно, что медики с давних пор культивируют полезные бактерии для человека. Сперва это происходило в виде производства йогуртов и других молочнокислых продуктов, но сегодня исследования вышли на совершенно новый уровень.

Особенно известными на сегодняшний день стали симбионты Кутушова. Что это такое? В настоящее время под этой товарной маркой продаются культуры кисломолочных организмов, которые улучшают процессы пищеварения.

Все симбионты Кутушова (точнее, их культуры) основаны исключительно на древних монгольских рецептах блюд из кисломолочных продуктов. Так что они действительно способны улучшить ваше общее самочувствие и даже внешний вид.

Разработал их ученый Кутушов. Симбионты в культурах тщательно подобраны, они обеспечивают организм человека ценными аминокислотами и микроэлементами. Именно за счет этого и достигается положительный эффект.

Как симбионты проникают внутрь клетки?

Как микроорганизмы оказываются в клетках высших животных и растений? Некоторые виды обладают специально предназначенными для этого механизмами. Причем нередко они имеются не у самого симбионта, а у «принимающей стороны». Есть такой мелкий водный папоротник — азолла (Azolla). На нижней полости его листьев имеются узкие проходы, которые ведут в каверны, специализирующиеся на выделении слизи. Вот в эти-то полости и попадают сине-зеленые водоросли анабены (Anahaena azollae), которые заплывают в каверны вместе с током воды.

Папоротник растет, каналы зарастают, водоросли остаются в полной изоляции. Ученые долго пытались создать на базе азоллы колонии других видов, но никакого успеха они так и не достигли. Можно с уверенностью говорить о том, что образование симбиотической связи возможно только в случае полного совпадения ряда параметров. Кроме того, подобный союз отличается ярко выраженной видовой специфичностью.

Таким образом, симбионты — это организмы, которые питаются благодаря специфичным для своего вида процессам (азотфиксирующие микроорганизмы), разделяют ценные вещества с партнером, но при этом нуждаются в определенных условиях, которые может предоставить только он.

Как вырастить хороший урожай бобовых

В воздухе, которым мы дышим, есть азот (аж 78% от общего объема). Этот химический элемент в обязательном порядке входит в состав белков и нуклеиновых кислот, а значит, жизненно необходим все живым организмам на Земле.

Человек и животные получают азот вместе с пищей, в основном из белков животного и растительного происхождения. Но откуда же берут азот растения?

Получать азот напрямую из атмосферного воздуха самостоятельно растения не умеют. В почве тоже есть азот, но, во-первых, его очень мало, во-вторых, значительная его часть содержится в органических соединениях, усваивать которые растения не в состоянии.

И вот здесь вступают в игру азотфиксирующие бактерии. Они умеют превращать органические соединения, содержащие азот, в минеральные (нитраты), доступные для питания растений.

Отдельное место в ряду азотфиксирующих бактерий занимают так называемые клубеньковые. Эти микроорганизмы-симбионты образуют клубеньки на корнях бобовых растений (клевера, люпина, гороха, вики). Клубеньковые бактерии связывают свободный атмосферный азот и доставляют его прямо к столу своего растительного хозяина.

Таким образом, с помощью клубеньков-симбионтов растения получают возможность получать азот, а микроорганизмы, в свою очередь, берут от растений питательные вещества (продукты углеводного обмена и минеральные соли) для собственного роста и развития.

Для успешного развития системы симбионтов (растение + микроорганизм) необходимы определенные условия:

температура;
влажность;
реакция почвы;
штамм бактерий.

В природных условиях встречаются клубеньковые бактерии различных видов, и не все они достаточно эффективны. Поэтому в сельском хозяйстве используют выведенные штаммы микроорганизмов, инфицируя ими бобовые растения, что приводит к увеличению урожая.

Однако в случае с бобовыми симбиоз – вынужденная необходимость. Если в почве будет достаточно азота (например, азотные удобрения), то клубеньковые бактерии потеряют для хозяина свою значимость, и их колонии будут разрушены самим растением.

Итак, симбиоз – вещь важная, нужная и иногда жизненно необходимая. Симбионтные системы есть у высших животных, растений, грибов, бактерий, водорослей… Словом, практически везде. И мы не смогли бы не то что выжить, но даже появиться на свет, не создай природа такого мощного орудия для выживания, как система симбионтов.

Как избавиться от красных водорослей в старом аквариуме

Так как появление и бурный рост красных водорослей сигнализирует о неполадках в работе аквариума, то для борьбы с ними используют устранение нарушений. Опытные аквариумисты придерживаются следующих советов и рекомендаций, как устранить красные водоросли в искусственном водоеме:

Аквариум заполняют тенистыми растениями и другими видами флоры. Они забирают большую часть питательных веществ, вследствие чего красные дьяволы не могут развиваться из-за нехватки корма.
При насыщении воды в резервуаре кислородом, количество багрянок сокращается.
Буйное развитие водорослей провоцирует избыток света, поэтому световой день должен длиться 8–11 часов. Слишком мощный и сильный свет приведет к тому, что паразитирующее растение заполонит собой весь водоем.
Уменьшают количество обитателей в резервуаре. Перенаселение аквариума приводит к избыточному количеству отходов и нитратов, что является благоприятным условием для размножения багрянок.
Заселение в резервуар водорослеедов, например моллинезий, анциструсов и сиамских водорослеедов поспособствует сокращению количества паразитов.
Регулярная чистка аквариума и уборка остатков пищи поможет не допустить развития багрянок.
Замену воды проводят еженедельно, обновляя 30% объема, а также постоянно обрабатывают камни и декорации, удаляя ил и загрязнения.

Термиты и внутриклеточные симбионты

Сравнительно долгое время все ученые пребывали в недоумении, размышляя о процессах пищеварения термитов. Как этому биологическому виду удается процветать, питаясь одной только древесиной? Сравнительно недавно было все же выяснено, что за непосредственную переработку древесной целлюлозы отвечают мельчайшие симбионты-бактерии, являющиеся симбионтами простейших, которые обитают в кишечнике самих термитов. Такая вот сложная, но весьма действенная схема.

Вот только исследователи все равно не понимали, откуда насекомые берут достаточное количество энергии: как-никак, целлюлоза в любом случае не отличается особой питательностью. Кроме того, им требуется огромное количество азота. Такого объема в переваренной древесине деревьев нет просто по определению. Недавно ученые из Японии пришли к феноменальному результату, который ими был получен при тщательном изучении генома симбионтов жгутиконосцев, живущих в ЖКТ термитов.

ВОЗМОЖЕН ЛИ ОРГАНЕЛЛОГЕНЕЗ БЕЗ СИМБИОГЕНЕЗА?

Несмотря на огромный массив данных, указывающих на симбиогенную природу ДНК-содержащих
органелл эукариотической клетки, экспериментальные данные для анализа генетических
процессов, сопровождающие их возникновение, очень немногочисленны. В частности, эндосимбиозы
бактерий и археот, на основе которых могли возникнуть первичные эукариоты, пока не
идентифицированы, хотя в ряде работ описаны археотные “кандидаты” в предки эукариот.
Одними из них являются локиархеоты – анаэробные организмы из донных осадков Арктики,
имеющие актиновый цитоскелет и способные к эндоцитозу, который мог обеспечить приобретение
аэробных α-протеобактерий – предшественников митохондрий [].

Большой интерес представляет вопрос о том, возможно ли у прокариот не связанное с
симбиозом обособление геном-содержащих клеточных компартментов? До сих пор не может
считаться полностью опровергнутой гипотеза аутогенеза, которая предполагает возникновение
органелл на основе структурной дифференциации и функциональной специализации мембранных
компартментов анцестральной клетки. Выдвинутая в конце XIX в. в применении к пластидам
эта гипотеза была отклонена К.С. Мережковским на основании генетической непрерывности
данных органелл []. Однако в 1970-х гг. гипотеза аутогенеза была возрождена Т. Кавалер-Смитом [], полагавшим, что в основе эволюции эукариот лежало происходившее у прокариот обособление
клеточных компартментов вместе с кодирующими их функции участками генома. Сторонники
аутогенеза проводили параллели между органеллогенезом и возникновением новых органов
– процессами, основанными на обособлении функционально специализированных структур
у предковых форм.

О возможности аутогенной эволюции клеточных органелл у прокариот свидетельствуют результаты
изучения грамотрицательной бактерии Gemmata obscuriglobus (Planctomycetes). Эта бактерия имеет крупный геном (около 9000 тпн, свыше 8000 генов),
кодирующий синтез стеролов и способность к эндоцитозу, характерные для эукариот []. В клетках G. obscuriglobus выявлен ДНК-содержащий компартмент, который может рассматриваться как аналог ядра.
Их сходство выявляется, в частности, при анализе мембранных белков, образующих поровые
комплексы. Возможно, что гены про- и эукариот, кодирующие эти комплексы, имеют общее
происхождение, связанное с дивергенцией от общих предков либо с горизонтальным переносом
генов (ГПГ) [].

По мнению ряда авторов, первичные эукариоты возникли путем вселения α-протеобактерий
в клеточные организмы, обладавшие ядрами, которые могли иметь либо аутогенное, либо
симбиогенное происхождение, в тем числе и возникать на основе гигантских вирусов []. Другие авторы полагают, что предшественниками ядер были археотные клетки, вселившиеся
в δ-протеобактерии либо в планкомицеты []. В связи с этим большой интерес представляют внутриклеточные симбиозы, в которых
хозяевами являются бактерии. К их числу относится симбиоз β-протеобактерии Tremblaya princeps, которая выявлена в бактериоцитах червеца Planococcus citri, с γ-протеобактерией Moranella endobia, обитающей в клетках T. princeps. Стимулом для образования данной “матрешки” могла стать избыточная редукция генома
T. princeps (139 тпн), вызванная ослаблением отбора в популяциях эндоцитобионтов (в связи с постоянством
среды их обитания) и компенсируемая менее редуцированным симбионтом M. endobia, геном которого превышает 500 тпн []. Показано, что у T. princeps отсутствуют многие факторы трансляции, включая аминоацил-тРНК-синтетазы и фактор
элонгации EF-Ts, которые поступают от M. endobia.

Одним из нерешенных вопросов теории симбиогенеза остается последовательность возникновения
ядра и митохондрий. Согласно “градуалистическому” сценарию митохондрии возникли путем
вселения α-протеобактерий в первичные эукариоты, образовавшиеся путем обособления
у архей геном-содержащего ядра и других мембранных структур – эндоплазматического
ретикулюма, аппарата Гольджи, пероксисом []. В качестве ближайших родичей первичных эукариот было предложено рассматривать архезоев
– внутриклеточных паразитов животных (метамонады, трихомонады, энтамебы), которые
лишены митохондрий и обладают упрощенной, по сравнению со свободноживущими эукариотами,
клеточной структурой []. Однако в настоящее время представление об архезоях как о переходных формах между
про- и эукариотами оставлено, поскольку: а) у архезоев выявлены митосомы – безгеномные
производные митохондрий; б) филогенетический анализ показал, что архезои – это специализированная
группа эукариот, а не сестринская по отношению к ним группа [].

Эндосимбиотическая теория

Также известен как теория серийного эндосимбиоза (SET), был номинирован американским биологом-эволюционистом Линн Маргулис в 1967 году, чтобы объяснить происхождение эукариотических клеток. Это было нелегко, и ему неоднократно отказывали в его публикации, потому что в то время он доминировал над идеей, что эукариоты были результатом постепенных изменений в составе и природе мембраны, поэтому эта новая теория не соответствовала убеждению преобладающий.

Маргулис искал альтернативную идею о происхождении эукариотических клеток, устанавливая, что это было основано на прогрессивном объединении прокариотических клеток, где одна клетка фагоцит к другим, но вместо того, чтобы переваривать их, делает их частью этого. Это дало бы начало различным органеллам и структурам нынешних эукариот. Другими словами, это говорит об эндосимбиозе, одна клетка вставлена внутрь другой, получение взаимной выгоды через симбиотические отношения.

Теория эндосимбиоза описывает этот постепенный процесс в трех больших последовательных дополнениях.

1. Первое включение

На этом этапе ячейка, которая использует серу и тепло в качестве источника энергии (термоацидофильная дуга), соединяется с плавающей бактерией (Espiroqueta). С этим симбиозом, способность двигаться некоторых эукариотических клеток начнется благодаря жгутику (как сперма) и появление ядерной мембраны, это дало ДНК большую стабильность.

Археи, несмотря на то, что они являются прокариотами, являются доменом, отличным от бактерий, и эволюционно было описано, что они ближе к эукариотическим клеткам.

2. Второе включение

Анаэробная клетка, для которой кислород, все более присутствующий в атмосфере, был токсичным, нуждалась в помощи для адаптации к новой среде. Вторым включением, которое постулируется, является объединение аэробных прокариотических клеток внутри анаэробной клетки., объяснение появления пероксисомальных органелл и митохондрий. Первые обладают способностью нейтрализовать токсическое воздействие кислорода (в основном свободных радикалов), а вторые получают энергию кислорода (дыхательной цепи). На этом этапе животная эукариотическая клетка и грибы (грибы) уже появляются.

3. Третье включение

Новые аэробные клетки по какой-то причине выполняли эндосимбиоз с прокариотической клеткой, которая обладала способностью фотосинтеза (получать энергию от света), давая начало органелле растительных клеток, хлоропласту. С этим последним дополнением есть происхождение растительного царства.

В двух последних добавлениях интродуцированные бактерии будут полезны для защиты и получения питательных веществ, в то время как хозяин (эукариотическая клетка) получит способность использовать кислород и свет соответственно..

Комменсализм[править | править код]

В зависимости от характера взаимоотношений видов-комменсалов выделяют три вида комменсализма:

комменсал ограничивается использованием пищи организма другого вида (например, гиены питаются остатками пищи львов, гепардов и др. хищников);
комменсал прикрепляется к организму другого вида, который становится «хозяином» (например, рыба-прилипала плавником-присоской прикрепляется к коже акул и др. крупных рыб, передвигаясь с их помощью);
комменсал селится во внутренних органах хозяина (например, некоторые жгутиконосцы обитают в кишечнике млекопитающих).

Примером комменсализма могут служить бобовые (например, клевер) и злаки, совместно произрастающие на почвах, бедных доступными соединениями азота, но богатых соединениями калия и фосфора. При этом если злак не подавляет бобовое, то оно в свою очередь обеспечивает его дополнительным количеством доступного азота. Но подобные взаимоотношения могут продолжаться только до тех пор, пока почва бедна азотом и злаки не могут сильно разрастаться. Если же в результате роста бобовых и активной работы азотфиксирующих клубеньковых бактерий в почве накапливается достаточное количество доступных для растений соединений азота, этот тип взаимоотношений сменяется конкуренцией. Результатом её, как правило, является полное или частичное вытеснение менее конкурентоспособных бобовых из фитоценоза.
Другой вариант комменсализма: односторонняя помощь растения-«няни» другому растению. Так, берёза или ольха могут быть няней для ели: они защищают молодые ели от прямых солнечных лучей, без чего на открытом месте ель вырасти не может, а также защищают всходы молодых ёлочек от выжимания их из почвы морозом. Такой тип взаимоотношений характерен лишь для молодых растений ели. Как правило, при достижении елью определённого возраста она начинает вести себя как очень сильный конкурент и подавляет своих нянь.

В таких же отношениях состоят кустарники из семейств губоцветных и сложноцветных и южно-американские кактусы. Обладая особым типом фотосинтеза (CAM-фотосинтез), который происходит днём при закрытых устьицах, молодые кактусы сильно перегреваются и страдают от прямого солнечного света. Поэтому они могут развиваться только в тени под защитой засухоустойчивых кустарников.
Имеются также многочисленные примеры симбиоза, выгодного для одного вида и не приносящего другому виду ни пользы, ни вреда. Например, кишечник человека населяет множество видов бактерий, присутствие которых безвредно для человека. Аналогично, растения, называемые эпифитами (к которым относится, например, род Фаленопсис), обитают на ветвях деревьев, не получая от них питательных веществ.
Комменсализм — способ совместного существования двух разных видов живых организмов, при которых одна популяция извлекает пользу от взаимоотношения, а другая не получает ни пользы, ни вреда (например, чешуйница обыкновенная и человек).

Симбиоз как залог выживания

В отличие от паразитов симбионты работают на общий успех. Это может быть сотрудничество:

двух животных (бегемот и птичка, которая чистит ему зубы);
растений и насекомых (цветы, опыляемые только одним видом насекомых);
микроорганизмов и растений (клубеньковые бактерии, участвующие в процессе получения пищи бобовыми);
человека и бактерий (микроорганизмы, которые обитают в нашем кишечнике, помогают выжить нам и радуются жизни сами);
даже отдельных клеток друг с другом (симбиоз доядерных клеток-прокариотов породил полноценную клетку-эукариота с четко оформленным ядром, что положило начало процессу эволюции на нашей планете).

А есть еще лишайники как результат симбиоза гриба и водоросли, которые выживают там, где по отдельности ни грибы, ни водоросли жить не смогут. Есть сосуществование краба и актинии, когда первый является средством передвижения, а вторая – оборонительным оружием. И таких примеров не счесть.

Рассмотрим два примера симбиоза микроорганизмов с человеком и растениями – бактерии-симбионты человека и клубеньковые бактерии, участвующие в процессе питания бобовых.

Симбионты в растительном царстве

Растения в своем стремлении выжить тоже не стесняются использовать симбионты. Например, хорошо известный лишайник, по сути, не является отдельным растением. Это симбиотическая система зеленых водорослей и грибов.

Как известно, водоросли не могут выжить без воды, а грибы не способны самостоятельно синтезировать питательные вещества (они используют то, что произвели другие микроорганизмы). Но эти недостатки взаимно уничтожаются в симбиотической группе. Водоросли с помощью фотосинтеза создают питательные вещества для грибов, а взамен получают комфортную среду обитания: необходимую влажность, кислотность почвы, защиту от ультрафиолета. В результате лишайники умудряются не просто выживать, но весьма уверенно чувствовать себя в довольно суровых условиях, где у них нет конкурентов за место под солнцем.

Еще одним примером симбиоза служат орхидеи, в корневой системе которых живут грибы и микроорганизмы. В этом тройственном союзе бактерии отвечают за тесную взаимосвязь растения-хозяина и гриба-симбионта. Самое поразительное, что не только грибы и микроорганизмы не могут существовать без растения, но и орхидея погибает, если уничтожить ее симбионтов.

Но самым, пожалуй, ярким примером растительной симбиотической системы являются клубеньковые бактерии в союзе с растениями семейства бобовых.

Противопоказания к употреблению

Ламинария, нори и другая «морская трава» не лишены противопоказаний, а точнее, ограничений в употреблении. Не стоит забывать, что морские водоросли – очень насыщенный продукт, следовательно, необходимо учесть некоторые моменты.

Водоросли нельзя употреблять маленьким детям, беременным и кормящим мамам.
При наличии проблем с почками, гастрита и болезнях щитовидной железы перед употреблением морских водорослей следует проконсультироваться с врачом.

Аллергия на данный продукт встречается довольно редко, чаще в сочетании с аллергией на морскую воду. Если после употребления в пищу вы заметили вред от водорослей – вам стало тяжело дышать, появилась сыпь, обильное слезотечение и заложенность носа, – примите антигистаминные препараты и обратитесь к аллергологу.

Происхождение митохондрий

Сегодняшние митохондрии, возможно, возникли в результате события, произошедшего между 1 и 1,5 миллиардами лет назад, когда большая анаэробная клетка поглотила более мелкую аэробную бактерию с помощью ферментативного механизма, необходимого для окислительного фосфорилирования.

Аэробный организм предоставил своему хозяину возможность производить больше АТФ для каждой разрушенной органической молекулы.

Поскольку эндосимбиотическая теория получила признание в научном сообществе, таксономическая идентичность предковых организмов, участвующих в симбиозе, стала предметом горячих споров.

Сегодня идея состоит в том, что крупным хозяином была архея, а захваченный организм (как мы упоминали ранее) был альфа-протеобактериями — хотя некоторые варианты теории предполагают анаэробную бактерию, поскольку существует несколько анаэробных форм. митохондрий, таких как гидрогенсомы.