Procariotele (Bacteria și Archaea)

Procariotele sunt organisme alcătuite dintr-o singură celulă care nu are un nucleu înconjurat de membrană. Materialul lor genetic se află într-o regiune a celulei numită nucleoid. Cele două domenii de procariote sunt Bacteria și Archaea. Sunt foarte mici, dar nu sunt toate la fel: unele sunt coci (sferice), altele bacili (ca un bastonaș), vibrioni (ca o virgulă) sau spirili (spiralate).

Procariotele trăiesc în sol, apă, pe organisme și în multe alte locuri. Unele Archaea pot trăi și în condiții foarte sărate sau fierbinți, dar nu toate trăiesc în medii extreme. Procariotele își procură energia în moduri diferite. Unele bacterii folosesc lumina, altele descompun substanțe organice, iar altele obțin energie din reacții chimice. Multe se înmulțesc prin diviziunea unei celule în două; dacă mediul este potrivit, numărul lor poate crește repede.

Au roluri importante în ecosisteme. Microorganismele din sol participă la transformarea substanțelor, iar unele bacterii sunt utile în prepararea alimentelor. Alte bacterii pot provoca boli. Nu este corect să numești toate bacteriile periculoase și nici să presupui că orice microb este bacterie. În lecția Diversitatea procariotelor vei compara mai multe exemple, inclusiv comunitățile de microbi care trăiesc împreună.

Structura celulei. Majoritatea procariotelor măsoară 0,5–5 µm; o celulă de Escherichia coli are circa 2 µm lungime și 0,5 µm lățime. Spre exterior, celula are membrană plasmatică, perete celular (la bacterii conține mureină și previne spargerea celulei prin intrare de apă) și, la unele specii, o capsulă mucoasă, care protejează celula de fagocitoză, de exemplu la Streptococcus pneumoniae. În citoplasmă se află ribozomi de tip 70S, un cromozom circular în nucleoid și, adesea, plasmide. Flagelii asigură mișcarea, iar pilii permit atașarea și conjugarea. Unele bacterii, precum Bacillus anthracis și Clostridium tetani, formează endospori: o celulă produce un singur spor, rezistent la căldură și uscăciune, care germinează într-o singură celulă. Sporul este deci o formă de rezistență, nu de înmulțire.

Formele bacteriilor sunt: coci (sferici; diplococi la Neisseria, streptococi în lanțuri, stafilococi în ciorchine), bacili (în formă de bastonaș, ca E. coli), vibrioni (curbați ca o virgulă, ca Vibrio cholerae) și spirili (spiralați, ca Spirillum); spirochetele, precum Treponema pallidum, sunt spiralate și flexibile.

Cianobacteriile fac fotosinteză cu clorofilă a și degajă oxigen. Bacteriile heterotrofe pot fi saprofite (de putrefacție, de fermentație) sau parazite. După relația cu oxigenul, ele sunt aerobe (Bacillus subtilis), anaerobe obligate (Clostridium) sau facultative (E. coli).

Reproducerea se face prin diviziune directă: ADN-ul circular se replică, celula se alungește, se formează un sept transversal și rezultă două celule fiice identice. La E. coli, în condiții optime (37 °C, mediu bogat), timpul de generație este de circa 20 de minute. Conjugarea este un transfer de plasmid între două celule, prin pili; ea schimbă informația genetică, dar nu mărește numărul de celule.

Medii de viață. Bacteriile se găsesc în sol, ape, aer, pe și în corpul organismelor. Arheele metanogene (Methanobacterium) trăiesc fără oxigen în mlaștini, în rumenul vacilor și în intestin și produc metan. Halobacterium salinarum trăiește în ape cu cel puțin 3 mol/L NaCl. Sulfolobus trăiește în izvoare sulfuroase la 75–80 °C și pH 2–3. Dintre bacterii, Thermus aquaticus trăiește în izvoare fierbinți; enzima sa, polimeraza Taq, se folosește în PCR.

Rolul în ecosisteme. Descompunătorii mineralizează resturile organice. Rhizobium trăiește în nodozitățile rădăcinilor de leguminoase (fasole, trifoi) și transformă azotul din aer în amoniac, folosit de plantă. Nitrosomonas oxidează amoniacul la nitriți, iar Nitrobacter nitriții la nitrați, forma de azot preluată de plante. Cianobacteriile contribuie la producția primară acvatică.

Exemplu rezolvat 1. O cultură pornește de la o celulă de E. coli, cu timpul de generație $g=20$ min. Câte celule sunt după 3 ore și când se ajunge la un milion?

1. Numărul de generații: $n=t/g=180/20=9$.
2. Numărul de celule: $N=N_0\cdot 2^n=1\cdot 2^9=512$.
3. Pentru $10^6$ celule: $2^{20}=1048576\ge 10^6$, deci $n=20$ generații, adică $20\cdot 20=400$ min = 6 h 40 min.

În realitate, creșterea încetează când se epuizează nutrienții.

Exemplu rezolvat 2. Se încadrează trei izolate.

1. Izolatul A provine din nodozitățile unei rădăcini de fasole, este un bacil heterotrof care fixează azotul din aer: Rhizobium, bacterie simbiontă.
2. Izolatul B provine dintr-un izvor la 78 °C și pH 2,5, are perete fără mureină și oxidează sulful: arheea Sulfolobus, chemoautotrofă, nu bacterie.
3. Izolatul C formează filamente în apa unui iaz, are clorofilă a și ficocianină și degajă oxigen: cianobacteria Nostoc, procariotă fotoautotrofă, nu algă.

Greșeli frecvente

• Greșit: Procariotele nu au ADN.
  Corect: Au ADN, dar nu într-un nucleu delimitat de membrană.
• Greșit: Toate Archaea trăiesc numai în medii extreme.
  Corect: Există Archaea și în medii obișnuite.
• Greșit: Orice bacterie provoacă boală.
  Corect: Multe au roluri neutre sau utile.
• Greșit: Endosporul este o celulă de înmulțire, fiindcă dintr-o bacterie rezultă mai mulți spori.
  Corect: O celulă formează un singur endospor, care este o formă de rezistență și germinează într-o singură celulă.

Înainte și după