Зачем микробам нужен кислород кратко
Обновлено: 05.07.2024
Люди любят кислород и не могут без него жить. Кто-то даже специально ездит в горы, чтобы надышаться им полной грудью. В то же время на нашей планете есть существа, которые легко обходятся без О2. Не так давно, а именно в начале 2021 года, было объявлено об открытии микроорганизма, дышащего азотом. Не исключено, что его изучение позволит узнать о самых ранних этапах эволюции жизни.
Человеческий организм состоит из эукариотических клеток. Это довольно сложные образования, характерной особенностью которых называют находящееся в центре ядро. По этой причине мы относимся к эукариотам. Это огромная, разнообразная, очень шумная семья, включающая в себя животных, растения, грибы и некоторые другие организмы.
Некоторые эукариоты научились получать энергию, не прибегая к помощи кислорода. Когда-то это имело особый смысл, так как его уровень в атмосфере достиг нынешнего показателя всего 450 миллионов лет назад, а до этого был гораздо ниже.
До сих пор на планете имеются эукариоты, способные выживать в областях с низким содержанием кислорода – например, на дне океана или в пищеварительной системе животных. Чаще всего для получения энергии они используют ферментацию. Это менее эффективный метод выработки АТФ, основанный на расщеплении сахаров на водород и углекислый газ. Однако некоторые организмы нашли способ обходиться вовсе без кислорода. Как, например, те, что были обнаружены не так давно на дне швейцарского озера Цуг. Они дышат нитратами, содержащими молекулы NO3, превращая последние в газообразный азот.
Это именно то, что требуется для существования на дне упомянутого водоема, где кислорода практически нет, зато полно нитратов. Все вроде бы предельно логично, но от этого интересующие нас микроорганизмы не становятся менее странными. У них нет митохондрий, они не используют ферментацию, но при этом являются живыми, дышащими эукариотами.
В конечном итоге они стали органеллами, то есть составной частью более крупных клеток. Однако у швейцарских эукариот эндосимбионт органеллой не является. Это по-прежнему бактерия, хотя предполагается, что она находится на пути описанной трансформации. То есть сегодня мы наблюдаем такую же эволюцию, какая произошла миллиарды лет назад.
В любом случае, описанные сегодня организмы в очередной раз демонстрируют, что жизнь способна существовать там, где, как кажется, не должно быть никакой биологии. Даже если для этого приходится дышать азотом.
Атмосферный воздух содержит-78% азота, 20% кислорода и 0,03—0,09% углекислого газа. Углекислота и азот воздуха могут быть использованы только аутотрофами. Кислород же играет важную роль в метаболизме (обмене веществ), дыхании и получении энергии большинства видов бактерий.
Дыхание (или биологическое окисление) — это сложный процесс, который сопровождается выделением энергии, необходимой микроорганизмам для синтеза различных органических соединений. Бактерии, как и высшие животные, для дыхания используют кислород. Однако Л. Пастером было доказано существование таких бактерий, для которых наличие свободного кислорода является губительным, энергия, необходимая для жизнедеятельности, получается ими в процессе брожения.
Все бактерии по типу дыхания подразделяются на облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы.
Облигатные (строгие) аэробы развиваются при наличии в атмосфере 20% кислорода (микобактерии туберкулеза), содержат ферменты, с помощью которых осуществляется перенос водорода от окисляемого субстрата к кислороду воздуха.
Микроаэрофилы нуждаются в значительно меньшем количестве кислорода, и его высокая концентрация хотя и не убивает бактерии, но задерживает их рост (актиноисцеты, бруцеллы, лептоспиры).
Факультативные анаэробы могут размножаться как в присутствии, так и в отсутствие кислорода (большинство патогенных и сапрофитных микробов — возбудители брюшного тифа, паратифов, кишечная палочка).
Облигатные анаэробы — бактерии, для которых наличие молекулярного кислорода является губительным (клостри-дии столбняка, ботулизма).
Аэробные бактерии в процессе дыхания окисляют различные органические вещества (углеводы, белки, жиры, спирты, органические кислоты и пр.).
Дыхание у анаэробов происходит путем ферментации субстрата с образованием небольшого количества энергии. Процессы разложения органических веществ в безкислородных условиях, сопровождающиеся выделением энергии, называют брожением. В зависимости от участия определенных механизмов различают следующие виды брожения: спиртовое, осуществляемое дрожжами, молочно-кислое, вызываемое мол очно-кислыми бактериями, масляно-кислое и пр.
С выделением большого количества тепла при дыхании некоторых микроорганизмов связаны процессы самовозгорания торфа, навоза, влажного сена и хлопка.
РН среды.
Существенное значение для роста микроорганизмов имеет оптимальная величина РН среды. Большинство микроорганизмов растет при нейтральном рН – 7. Нитрифицирующие и клубеньковые бактерии – актиномицеты – предпочитают более высокие значения рН, т.е. слегка щелочные. Лишь немногие бактерии растут в кислой среде. Грибы предпочитают низкие значения рН. Под влиянием рН среды изменяется активность ферментов клетки и в связи с этим ее биохимическая и физиологическая активность, рост и размножение. При колебании рН может изменяться степень диссоциации веществ в среде, что в свою очередь отражается на обмене веществ в клетке.
К кислой среде вегетативные клетки бактерий менее устойчивы, чем споры. Особенно неблагоприятна кислая среда для гнилостных бактерий и бактерий, вызывающих пищевые отравления. Подавление роста гнилостных микроорганизмов при подкислении среды имеет практическое применение. Добавление уксусной кислоты используется при мариновании продуктов, что препятствует процессам гниения и позволяет сохранить продукты. Образующаяся при квашении молочная кислота также подавляет рост гнилостных бактерий.
В зависимости от отношения к рН среды микроорганизмы делятся на три группы:
• нейтрофилы - предпочитают нейтральную реакцию среды. Растут в диапазоне значений рН от 4 до 9. К нейтрофилам относятся большинство бактерий, в то числе гнилостные бактерии;
• ацидофилы (кислотолюбивые). Растут при рН 4 и ниже. К ацидофилам относятся молочнокислые, уксуснокислые бактерии, грибы и дрожжи.
• алкалофилы (щелочелюбивые). К этой группе относятся микроорганизмы, которые растут и развиваются при рН 9 и выше. Примером алкалофилов является холерный вибрион.
Если рН не соответствует оптимальной величине, то микроорганизмы не могут нормально развиваться, так как активная кислотность оказывает влияние на активность ферментов клетки и проницаемость цитоплазматической мембраны.
Некоторые микроорганизмы, образуя продукты обмена и выделяя их в среду, способны изменять реакцию среды.
Для бактерий кислая среда более опасна, чем щелочная (особенно для гнилостных бактерий). Это используется для консервирования продуктов путем маринования или квашения. При мариновании к продуктам добавляют уксусную кислоту, при квашении создаются условия для развития молочнокислых бактерий, которые образуют молочную кислоту и тем самым способствуют подавлению роста гнилостных бактерий.
При выполнении гематологических исследований используются два типа организмов аэробные и анаэробные. Они отличаются потребностью в наличии кислорода в окружающей среде. Аэробные микроорганизмы могут функционировать только при наличии кислорода, в то время, как анаэробные в нем совсем не нуждаются.
Классификация этих видов проводится на основе реакции на наличие или отсутствие кислорода. Из-за этого аэробные и анаэробные микроорганизмы по-разному выполняют свои функции в процессе клеточного дыхания.
Особенности аэробных микроорганизмов
Аэробные микроорганизмы не могут существовать без кислорода. Он необходим им для роста, развития и участвует в процессах размножения. Благодаря кислороду они способны окислять моносахариды, например, глюкозу.
Генерация энергии в этих микроорганизмах происходит при гликолизе. После него следует цикл Кребса и цепь переноса электронов. Среды, насыщенные кислородом – отличная питательная среда для таких микроорганизмов. Примеры аэробов – бациллы и нокардии.
Типы аэробов
Аэробные микроорганизмы классифицируют по уровню необходимого для жизнедеятельности кислорода:
- Облигатные аэробы или аэрофилы. В обязательном порядке нуждаются в кислороде. Они используют его для клеточного дыхания и окисления органических веществ – сахаров и жиров, из которых получают энергию. Примеры облигатных аэробных микроорганизмов - Nocardia, Mycobacterium tuberculosis и Vibrio cholerae.
- Микроаэрофильные аэробы. Обладают способностью выживать при малых концентрациях кислорода (около 10 процентов). Пример – Хеликобактер пилори.
Бактерии, нуждающиеся в кислороде для выживания, легко выделяются при культивировании в жидкой среде. Так для полноценной жизнедеятельности им необходим кислород, то чтобы выжить они всплывают на поверхность.
Особенности анаэробов
В процессе энергетического обмена эти микроорганизмы не используют кислород. Для этого им необходимы марганец, сера, кобальт, азот, метал или железо. В процессе образования энергии анаэробные микроорганизмы подвергаются ферментации. Для выживания они используют энергию, производимую при анаэробных процессах брожения:
Классификация анаэробных микроорганизмов также определяется по уровню токсичности кислорода:
- Аэротолерантные. Для выживания кислород им не требуется, а его присутствие не наносит им вреда. Пример – лактобациллы.
- Облигатные. Для таких микроорганизмов кислород губителен. Они живут и растут только при полном его отсутствии в среде. Пример – клостридии, метаносарцины.
- Факультативные. На их развитие и жизнедеятельность не влияет наличие кислорода. Они могут жить как при его наличии, так и при отсутствии. Пример – кишечная палочка.
Анаэробы не способны выживать в среде, богатой кислородом. Для облигатных разновидностей он токсичен, а вот факультативным видам он не вредит.
Сходства между аэробами и анаэробами
- Являются прокариотическими микроорганизмами.
- Их начальная стадия клеточного дыхания – гликолиз.
- Их основу составляют патогенные болезнетворные микроорганизмы.
- Применяются в различных сферах промышленности.
Различия аэробов и анаэробов
Отличительные особенности микроорганизмов представлены в таблице.
| Параметр сравнения | Аэробы | Анаэробы |
| Условия выживания | Нуждаются в кислороде, так как он конечный акцептор электронов в их клеточном дыхании | Для клеточного дыхания им не нужен кислород |
| Конечные электронные акцепторы | Кислород | Сера, метан, азот, железо |
| Процессы, участвующие в клеточном дыхании | Гликолиз, Цикл Кребса, Цепь переноса электронов | Гликолиз, Ферментация |
| Разновидности | Облигатные, Микроаэрофильные, Факультативные, Аэротолерантные | Облигатные, Факультативные |
| Среда для роста | Богатые уровнем кислорода среды | Среды, в которых отсутствует кислород |
| Токсичность кислорода | Нетоксичен | Токсичен |
| Кислородные детоксифицирующие ферменты | Присутствуют | Отсутствуют |
| Уровень производства энергии | Высокая эффективность производства энергии | Низкая эффективность производства энергии |
| Примеры | Сенная палочка (Bacillus spp), Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa), Палочка Коха (Mycobacterium tuberculosis) | Актиномицеты (Actinomyces), Бактероиды (Bacteroides), Пропионовокислые бактерии (Propionibacterium), Вейлонелла (Veillonella), Пептострепококки (Peptostreptococcus), Порфиромонас (Porphyromonas), Клостридии (Clostridium spp) |
Аэробы и анаэробы требуют различных по уровню кислорода питательных сред для выживания. Аэробным микроорганизмам кислород необходим для энергетического обмена, а анаэробные микроорганизмы его не используют. Вместо этого они используют нитраты, серу и метан. Именно поэтому ключевыми отличиями этих микроорганизмов являются типы конечных акцепторов электронов, которые используются в процессе клеточного дыхания.
Внимание! Компания Медика Групп занимается продажей автоматических микробиологических анализаторов и флаконов с питательными средами, но не оказывает услуги по сбору или расшифровке результатов анализов крови.
С момента кислородной катастрофы, которая произошла примерно 2,45 миллиарда лет назад, большинству живых организмов на Земле необходим кислород. Он производится другими организмами, которым для производства этого газа нужен солнечный свет. Собственно говоря, как утверждают ученые, кислородная катастрофа произошла лишь по той причине, что наша планета замедлила свое вращение, в результате чего увеличился световой день. Это позволило цианобактериям успевать в течение дня выделять большое количество кислорода. Они-то и наполнили атмосферу жизненно важным газом. Однако, как совсем недавно выяснили ученые из Университета Южной Дании, не всем организмам для выработки кислорода необходим солнечный свет. В океане был обнаружен микроб, который нарушает все вышеозвученные правила — он выживает даже в условиях темноты и в среде с полным отсутствием кислорода.
В океане есть микроорганизмы, которые вырабатывают кислород неизвестным науке способом даже в полной темноте
Микробы, которые живут в темноте и без кислорода
Речь идет о микробе Nitrosopumilus maritimus, а также других некоторых родственных ему микроорганизмах. Ранее ученым было известно, что эти микробы могут жить в среде с минимальным количеством кислорода. Однако непонятно было что они там делают и как выживают в таких условиях.
Следует отметить, что Nitrosopumilus maritimus является распространенным в океане микробом. Если набрать ведро океанской воды, каждая пятая клетка в ней будет этим микробом. Как говорят ученые, он играет важную роль в круговороте азота. При этом уже давно известно, что он не может жить без кислорода.
Изначально эксперты думали, что в бескислородной среде, где эти микробы тоже встречаются в большом количестве, они не выполняют никакую функцию. Но как и почему они туда попадают? Все эти загадки вдохновили ученых из Дании провести исследование, результаты которого недавно были опубликованы в журнале Science.
Nitrosopumilus maritimus являются одними из наиболее распространенных в океане микробов
Чтобы выяснить почему такое большое количество этих микроорганизмов имеется в бескислородной среде, и что они там делают, ученые извлекли их из естественной среды обитания и поместили в искусственные лабораторные условия. Основная задача состояла в том, чтобы выяснить, что с ними произойдет, когда из воды исчезнет весь кислород, и при этом не будет солнечного света.
Таким образом ученые создали условия, которые исключали возможность производства кислорода. По сути, это естественный сценарий, который происходит, когда Nitrosopumilus maritimus перемещаются из богатых кислородом вод в те, которые его практически не содержат.
То, что в итоге обнаружила команда исследователей, их сильно удивило. Микроорганизмы стали производить кислород, а также газообразный азот (диазотом) в качестве побочного продукта.
“Мы зафиксировали, что микробы израсходовали весь кислород, который был в воде, но потом, спустя несколько минут уровень кислорода опять начал расти” — говорит геобиолог Дон Кэнфилд, один из авторов исследования.
Как микробы вырабатывают кислород без солнечного света
Ученые пока не могут дать четкий ответ, как микробы вырабатывают кислород без доступа к солнечному свету. Однако они обращают внимание на то, что количество вырабатываемого кислорода небольшое. Его достаточно для выживания только самих микробов. О том, что микробы вырабатывают кислород неизвестным ранее способом, говорит тот факт, что этот процесс сопровождается выделением газообразного азота.
Nitrosopumilus maritimus в лаборатории смогли выжить при полном отсутствии в воде кислорода и света
Микробы каким-то образом перерабатывают аммиак в нитрит. Данный процесс позволяет им получать энергию. В свою очередь, для осуществления этого процесса они сами производят кислород. Для осуществления всех этих биохимических реакций они используют свободный азот, который доступен в окружающей среде. Данный вывод требует проведения дальнейших исследований. Если он будет подтвержден, ученым придется переосмыслить понимание азотного цикла в океане.
Подписывайтесь на наш Яндекс.Дзен-канале, где вы найдете еще больше увлекательных материалов.
Авторы работы планируют теперь провести исследование не в лабораторных условиях, а естественной среде, то есть в водах океана, с минимальным содержанием кислорода, причем в разных точках мира. Напоследок напомню, что наибольшее количество кислорода на Земле вырабатывает фитопланктон. Причем он также поглощает углерод, то есть парниковый газ. Поэтому ученые планируют в ближайшее время стимулировать рост фитопланктона, чтобы сдержать глобальное потепление климата, о чем я рассказывал ранее.
Кислород – важный химический элемент, необходимый для поддержания жизни большинства организмов на планете. Однако, чистый кислород это токсичный газ. Почему кислород ускоряет старение и как организм с этим борется?
Для чего нам нужен кислород?
Человек, также как подавляющее большинство животных, растений и микроорганизмов, относится к аэробным организмам. Аэробы нуждаются в молекулах кислорода для синтеза энергии.
Все дело в том, что газ O₂ является мощным окислителем. Наверняка вы замечали, что если надкусить яблоко и оставить его на некоторое время на столе, то оно потемнеет. Полифенол, содержащийся во фрукте, вступит в химическую реакцию с атмосферным кислородом и окислится. Подобным образом, газ провоцирует появление ржавчины на металле. За определенное время, кислород способен "разъесть" практически любой материал.
В нашем случае, атмосферный кислород разлагается в легких до молекул и насыщает собой кровь. Благодаря кровообращению, организм доставляет эти молекулы к каждой клетке нашего тела. В клетках расположены митохондрии – "энергетические станции" организма. С помощью кислорода они окисляют питательные вещества и высвобождают энергию, необходимую для жизнедеятельности. Это процесс метаболизма. Условно, кислород позволяет митохондриям сжигать питательные вещества, как дрова в каминной топке.
Существуют и анаэробные организмы, способные получать энергию без окисления кислородом. Однако благодаря O₂ из одной и той же молекулы высвобождается в несколько раз больше энергии, чем без него. Именно поэтому аэробная жизнь доминирует на планете.
В атмосфере содержится почти 21% чистого кислорода. Безопасное для человека содержание составляет до 60%. При длительном вдыхании от 60 до 90% чистого O₂ клетки начинают гибнуть, провоцируя патологические процессы в организме, прежде всего, в легких. В конечном итоге, переизбыток газа приводит к смерти.
Однако даже нормальное содержание газа негативно сказывается на здоровье человека. Почему так происходит?
Губительные токсины
В процессе метаболизма в митохондриях 98% кислорода восстанавливается до воды. Однако 2% молекул газа превращаются в активные формы кислорода (АФК) – пероксиды и свободные радикалы с исключительной реактивностью. Они повреждают ДНК митохондрии, истощают энергетический запас клетки и провоцируют её преждевременную гибель. По-научному это называют окислительным стрессом. На окислительном стрессе основана теория старения английского ученого Денхама Хармана.
Разумеется, действия АФК организм старается держать под контролем. В частности, свободные радикалы используются для апоптоза – регулируемый процесс гибели инфицированных и поврежденных клеток. Каждый день в нашем теле умирает до 300 миллиардов клеток, а вместо них "рождаются" новые.
Также существует клеточная защита от свободных радикалов – это выработка антиоксидантных ферментов. Однако, по мнению исследователя, не весь яд нейтрализуется. Некоторая его часть остается в митохондрии и провоцирует возрастные изменения. Чем больше поврежденных клеток, тем хуже становится метаболизм и хуже клеточная защита. С годами старение ускоряется. Кислород буквально отнимает у нас годы жизни.
Окислительной стресс также является причинами синдрома хронической усталости, повышенного давления, атеросклероза (болезнь артерий), болезни Альцгеймера (деменция) и многих других заболеваний.
Как продлить свою молодость?
Одной из причин, что среди горцев Кавказа, Тибета, Памира и т.д. много долгожителей – малое количество потребляемого кислорода. Организм горцев привык компенсировать недостаток повышением уровня гемоглобина, а клетки приспосабливаются использовать O₂ экономичнее. В результате, отравление молекулой у них ниже.
Как можно дольше сохранять интенсивный обмен веществ – один из способов противостоять кислородному отравлению. Для этого исследователи рекомендуют вести активный образ жизни.
Российские ученые предлагают более действенный метод – разработать искусственные антиоксиданты и помочь клеткам бороться со свободными радикалами. Данные антиоксиданты получили название "ионы Скулачева". На их производство государство потратило 710 миллионов рублей.
"Эликсир молодости" уже испытали на животных. Согласно исследователям, искусственные антиоксиданты увеличили максимальный возраст подопытных и снизили риск развития определенных заболеваний. Возможно, вскоре человечество научится справляться с токсичностью кислорода, а продолжительность жизни увеличится.
Читайте также: