Лекция 1 Введение в экологию микроорганизмов по

Лекция № 1 «Введение в экологию микроорганизмов» по дисциплине «Экология микроорганизмов» 1

План лекции n n n n Предмет экологии Общие задачи экологии Определение микробной экологии Исторический аспект Разделы экологии микроорганизмов: ¨ Аутэкология; ¨ Демэкология; ¨ Синэкология; ¨ Понятие об экосистемах (биогеоценозах) Молекулярная экология микроорганизмов Средообразующие функции живого вещества 2

Предмет экологии — совокупность связей между организмом и средой Экология — наука изучающая взаимодействия организмов с окружающей средой и друг с другом. Сюда относятся и все условия существования, как неорганические условия — климат, неорганическая пища, состав воды, почвы и т. д. , так и органические — общие отношения организмов ко всем остальным организмам. n 3

Общие задачи экологии Исследование закономерностей организации жизни в связи с антропогенными воздействиями на природную систему и биосферу. n Создание научной основы рациональной эксплуатации биологических ресурсов. n Прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека. n Управление процессами, протекающими в биосфере. n Сохранение среды обитания человека. n Регуляция численности популяции. n Разработка систем мероприятий по экологической индикации загрязнения природной среды. n Восстановление нарушенных природных систем. n Сохранение заповедных участков биосферы. n Создание устойчивого развития общества. n 4

Экология как наука решает следующие задачи изучает принципы и законы, определяющие типы объединения организмов, динамику популяций и биогеоценозов во времени и пространстве n исследует закономерности взаимоотношений различных групп организмов с факторами окружающей среды, влияние организмов и их комплексов на среду обитания с целью выяснить механизмы преобразования популяций n изучает характер распределения растений и животных на планете, потоки вещества и энергии через отдельные трофические уровни и закономерности функционирования экосистем и биосферы в целом n разрабатывает основы для рациональной эксплуатации биологических ресурсов, прогнозирует изменения природы в связи с деятельностью человека, дает рекомендации по управлению процессами, протекающими в природе n 5

Экология как наука решает следующие задачи разрабатывает биологические меры борьбы с сорняками и вредителями в связи со снижением эффективности инсектицидов и гербицидов и загрязнением ими природной среды n изучает возможности создания безотходных технологий на промышленных предприятиях: рекомендует внедрять соответствующие системы для переработки отходов производства, например, путем создания систем оборотного водопотребления в процессе которого промышленные воды отстаиваются, очищаются и возвращаются в технологическую цепь, либо для исключения или сокращения технологических процессов, приводящих к образованию основного количества отходов n Таким образом, главная теоретическая и практическая задача экологии заключается в том, чтобы вскрыть закономерности биологических процессов и научиться управлять ими в условиях все возрастающего влияния человека на окружающую среду. n 6

Общая экология Аутэкология (греч. Синэколо гия — autos – сам) – раздел Демэколо гия (от др. греч. δῆμος — раздел экологии, изучающий народ), экология популяций — раздел изучающий действие различных общей экологии, изучающий динамику взаимоотношения абиотических численности популяций, (физических и внутрипопуляционные группировки и их организмов различных видов внутри химических) факторов взаимоотношения сообщества организмов среды на организмы 7

Определение микробной экологии n n n Термин «экология» ввел в научный обиход Эрнст Геккель в 1866 г. для обозначения изучения взаимодействий организма и среды Экология (греч. ойкос – дом, жилище, домашнее хозяйство) – раздел биологии, наука о взаимосвязях между организмами и окружающей их средой, о круговороте веществ и потоках энергии, делающих возможной жизнь на Земле. Экология связывает между собой различные области естествознания. В понятие «организмы» включаются микроорганизмы, растения, животные и человек (Гончарова, 1993). Экология микроорганизмов представляет собой синтетическую дисциплину, предполагающую знакомство с основами физиологии и биохимии микроорганизмов, кинетики их роста, условиями обитания, деятельностью их в природе. 8

Отличия микробной экологии от экологии животных или растений: 1) специфичностью и разнообразием химической деятельности микроорганизмов при исключительно осмотрофном питании бактерий n 2) непосредственным взаимодействием микроорганизмов с геосферой n 3) первичностью в истории Земли n 9

Исторический аспект С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную. Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, т. е. различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов. n Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в знаниях, определяющих «отношение живого к окружающей его органической и неорганической среде» , возникла очень давно. n Достаточно вспомнить труды Аристотеля (384 322 г до н. э. ), Плиния Старшего (23 79 г н. э. ), в которых обсуждалось значение среды обитания в жизни организмов. n 10

Исторический аспект Микроорганизмы часто рассматриваются в качестве первых обитателей Земли. n Хотя термин «экология микроорганизмов» ( «микробная экология» ) стали широко использоваться в 60 х г. 20 века, экологически ориентированные работы с микроорганизмами проводили уже давно. n Впервые за живыми микроорганизмами наблюдал под микроскопом, увидел и описал А. Левенгук в 1776 г голландский естествоиспытатель, пытался изучать действие на них различных факторов, например выявил действие перца на микробы. n Антони ван Левенгук (1632 1723) 11

Луи Пастер - основоположник научного подхода в микробиологии Луи Пастер основоположник научного подхода в микробиологии. n С его именем связаны исследования процессов брожения и концепция анаэробиоза; n изобретение пастеризации; n блистательное экспериментальное решение проблемы о самозарождении. n Идея о микроорганизмах как деструкторах органического вещества в природе фактически была предтечей возникновения микробной экологии. n Луи Пастер (1822 1895) 12

Датой рождения науки ЭМО считают конец 19 – начало 20 в. и связывают с работами С. Н. Виноградского и М. Бейеринка Для выделения в лабораторных условиях группы бактерий с определенными свойствами С. Н. Виноградский предложил создавать специфические (элективные) условия, дающие возможность преимущественного развития данной группы организмов. n В 1893 г. им был выделен из почвы анаэробный азотфиксатор Clostridium pasteurianum. n 13

Микроэкологический принцип был успешно развит М. Бейеринком и применен при выделении различных групп микроорганизмов В частности, обнаружил в почве еще один вид бактерий, способных к росту и азотфиксации в аэробных условиях, — Azotobacter chroococcum, исследовал физиологию клубеньковых бактерий, изучал процессы денитрификации и сульфатредукции, ферменты разных групп микроорганизмов. 14

Экологическое направление микробиологии n С. Н. Виноградский и М. Бейеринк являются основоположниками экологического направления микробиологии, связанного с изучением роли микроорганизмов в природных условиях и участием их в круговороте веществ в природе. n Принцип, разработанный Виноградским С. Н. и Бейеринком М. ( «принцип элективных культур» ) используются в настоящее время для выделения микробов с особыми потребностями в источниках питания или в экстремальных условиях. 15

Изучение процессов метаболизма Василий Леонидович Омелянский академик, самый близкий ученик Виноградского. n Омелянский принимал активное участие в работах Виноградского по нитрифицирующим и азотфиксирующим бактериям, а его исследования анаэробного разложения целлюлозы признаны классическими. n Процессы нитрификации, азотофиксации, разложения клетчатки занимают ключевое положение в микробиологии почвы. n Проблемы почвенной и геологической микробиологии до конца жизни волновали Омелянского. Его книги «Основы микробиологии» (1909) и «Практическое руководство по микробиологии» (1922) способствовали формированию нескольких поколений советских микробиологов. n Омелянский Василий Леонидович (1867 1928) 16

Основные тенденции последующего развития микробиологии Последующее развитие микробиологии было связано с постоянным выделением микроорганизмов из их природных местообитаний, определением метаболического потенциала и изучением их роли в биогеохимических циклах азота и серы. n МО продемонстрировали огромное разнообразие форм и мест заселений, включая экстремальные. n Тот факт, что в пробах, взятых в природе, почти никогда не находят МО в виде чистых культур, позволили сделать вывод о взаимодействии микробных популяций друг с другом и микроокружением, с его быстро изменяющимися физико химическими параметрами. n 17

Основные тенденции последующего развития микробиологии В 1877 г. французские химики Т. Шлезинг и А. Мюнц доказали микробиологическую природу процесса нитрификации n В 1882 г. П. Дегерен обнаружил аналогичную природу процесса денитрификации, а двумя годами позднее он же установил микробиологическую природу анаэробного разложения растительных остатков n М. С. Воронин в 1867 г. описал клубеньковые бактерии, а спустя почти двадцать лет Г. Гельригель и Г. Вильфарт показали их способность к азотофиксации n 18

Исследование физиологии и биохимии микроорганизмов Главная область исследований С. П. Костычева – физиология и биохимия микроорганизмов (дыхание и брожение, выделение кислот, азотофиксация), но ему принадлежат и важные работы в почвенной микробиологии, продолжающие исследования С. Н. Виноградского. n Будучи директором Всесоюзного института сельскохозяйственной микробиологии, Костычев руководил обширными исследованиями по учету почвенных микробов, охватывающими значительную часть территории СССРП. n Костычев создал теорию микробиологической природы процессов почвообразования. n Костычев Сергей Павлович (1877 1931) 19

Дальнейшее развитие экологии МО Н. Г. Холодный академик АН УССР, крупный ботаник и микробиолог. Сфера его интересов широка: от фитогормонов до возникновения жизни и философии космизма: n изучение железобактерий, окисляющих Fe 2+ и имеющих большое значение в круговороте железа n работы по микробиологии почвы n оригинальные разработки методик исследования ( «стекла обрастания» , «почвенные камеры» ) n Совместно с Б. В. Перфильевым метода капилляров с плоскопараллельными стенками. n Николай Григорьевич Холодный (1882 1953) 20

Дальнейшее развитие экологии МО Исследование популяций и взаимоотношений популяций в их экологических нишах, например микробиология рубца жвачных животных (Р. Хангейт). n Исследование микробных сообществ в составе биоплёнок (К. Зобэлл, М. Андерсон). n 21

Задачи, решаемые прикладной экологией микроорганизмов защиты микробных популяций и биоценозов, принимающих участие в поддержании экологического баланса (азотфиксирующих, аммонифицирующих, нитрифицирующих и др. ), от неблагоприятного воздействия хозяйственной деятельности человека; n предупреждения микробной деградации живой и неживой природы и различных антропогенных материалов (напр. , профилактика болезней людей, животных, растений, сохранение продовольственных товаров, промышленных материалов и др. ); n микробного синтеза необходимых человеческому обществу материалов и веществ (напр. , синтез микробного белка); n защиты биосферы Земли от искусственных мутантов и заноса жизни из космоса и выноса жизни с Земли в космос; n коллекционирования к р в целях сохранения генетического фонда. n 22

Разделы экологии микроорганизмов. Аутэкология (от англ. «aut» внешний) – изучает особенности взаимодействия микроорганизмов с разнообразными абиотическими факторами среды обитания, определяет пределы устойчивости и предпочтения вида по отношению к различным экологическим факторам n 23

Абиотические факторы Физические • • земное тяготение магнитные поля видимый свет ультрафиолет ионизирующие излучения гидростатическое давление температура Химические • • • р. Н (кислотность среды) водная активность молекулярный кислород ионы металлов органические вещества 24

Демэкология (от греч. demos — народ), или экология малых групп раздел экологии микроорганизмов, изучающий естественные группировки микроорганизмов одного вида. n В рамках демэкологии выясняются условия, при которых формируются популяции. n Демэкология описывает колебания численности различных видов под воздействием экологических факторов и устанавливает их причины, рассматривает особь не изолированно, а в составе группы таких же особей, занимающих определённую территорию и относящихся к одному виду. n 25

Синэкология (от греч. syn вместе) или экология сообществ – раздел экологии микроорганизмов, изучающий взаимоотношения популяций и сообществ микроорганизмов с другими формами живого n Часто синэкологию рассматривают как науку о жизни биоценозов, то есть многовидовых сообществ животных, растений и микроорганизмов ¨ Микроорганизмы – микроорганизмы, ¨ Микроорганизмы – простейшие, ¨ Микроорганизмы – беспозвоночные, ¨ Микроорганизмы – позвоночные, ¨ Микроорганизмы – растения. n 26

Биогеоценология учение об экосистемах различного иерархического уровня организации, о взаимосвязанных и взаимодействующих комплексах живой и косной природы — биогеоценозах и их планетарной совокупности — биогеосфере. n Зародилась биогеоценология в недрах геоботаники, но впоследствии развивалась на стыке биологической и географической наук, отражая комплексный уровень изучения живой природы. n 27

Молекулярная экология микроорганизмов Традиционные методы изучения микробных сообществ были основаны на классическом микробиологическом принципе, требующем обязательного выделения и культивирования на специальных питательных средах в лабораторных условиях чистой культуры микроорганизмов. n В настоящее время выделено около 5000 видов прокариот. n Между тем эксперименты последних лет в области экологии микроорганизмов привели в 2 заключениям – в исходном природном сообществе каждой конкретной экосистемы: n а) культивируемые микроорганизмы составляют лишь незначительную часть, n б) разнообразие культивируемых видов не отражает действительного разнообразия всех микроорганизмов. n 28

Молекулярная экология микроорганизмов Новая стратегия изучения микроорганизмов в природных сообществах – без выделения отдельных микроорганизмов в чистую культуру, на основании анализа отдельных элементов их генетического материала n Методы молекулярной экологии позволяют непосредственно изучать генетическое разнообразие всех представителей определенного природного сообщества n Методология молекулярной экологии развивается благодаря появлению и усовершенствованию методов молекулярной биологии: n гибридизационного анализа, n секвенирования, n молекулярного клонирования, n ПЦР n 29

Особенность молекулярно-генетического подхода Таким образом, в отличие от традиционного микробиологического подхода, молекулярногенетический подход не ограничен обязательным принципом «чистой культуры» , поэтому, хотя полученные с его применением результаты не противоречат сложившимся представлениям о микробном разнообразии, они существенно дополняют и расширяют эти представления. n 30

Значение МО в биосферном круговороте биогенных элементов 31

Средообразующие функции живого вещества Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей биосферно геологической роли. n В. И. Вернадский выделял девять функций живого вещества: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановитель ную, концентрационную и другие. n В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены (в соответствии с классификацией А. В. Лапо (1987). n 32

Энергетическая функции живого вещества Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Эта функция одна из важнейших. n Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических принципах, сформулированных В. И. Вернадским. n В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению n Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию n 33

Газовая функции живого вещества способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. n В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т. п. ). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО 2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0, 03%. n Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам. n 34

Газовая функции живого вещества С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. n Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1, 2 млрд. лет назад. n Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь). n 35

Окислительно-восстановительная функции живого вещества Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. n Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует. n 36

Концентрационная функции живого вещества – способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов в миллионы раз). n Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. n Организмы концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями. n 37

Деструктивная функции живого вещества – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и косных веществ n Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ n Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии (деструкторы, редуценты) n 38

Транспортная функции живого вещества n – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. n С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). 39

Средообразующая функции живого вещества Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). С ней в конечном счете связано преобразование физико химических параметров среды. n В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. n В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. n 40

Средообразующая функции живого вещества В. И. Вернадский, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании. n Роль живых организмов в образовании почв убедительно показал Ч. Дарвин в работе «Образование растительного слоя земли деятельностью дождевых червей» . n Известный ученый В. Докучаев назвал почву «зеркалом ландшафта» , подчеркивая тем самым, что она продукт основного ландшафтообразующего элемента биоценозов и, прежде всего, растительного покрова. n 41

Средообразующая функции живого вещества Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. n Это прежде всего относится к сообществам с большой массой органического вещества (биомассой). n 42

Рассеивающая функция живого вещества противоположная концентрационной функции по результатам n проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. n Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. n Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п. n 43

Информационная функция живого вещества выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов. n 44

Спасибо за внимание! 45