Температура. Жизнь организмов определяется температурой больше, чем каким-либо фактором внешней среды, в связи с тем

Жизнь организмов определяется температурой больше, чем каким-либо фактором внешней среды, в связи с тем, что все организмы построены из химических компонентов и все процессы жизни происходят на основе химических реакций, подчиненных законам термодинамики. Температура действует не только на скорость химических реакций, но также является причиной структурной перестройки протеинов, фазовых перемещений жиров, изменения структуры воды. Температурная амплитуда биохимической активности относительно мала в связи со специфическими свойствами биомолекул и температурным коэффициентом химических реакций.

Витальная температурная зона, в пределах которой осуществляется активная жизнедеятельность микроорганизмов, за некоторым исключением укладывается в рамки от 0° до 50-60° С. Нижняя граница активной жизнедеятельности микроорганизмов лимитируется, прежде всего, капельно-жидкой водой, постоянным потоком которой в клетке поддерживается трехмерность белковых молекул и других структурных носителей жизни и протекающие процессы ассимиляции и диссимиляции. Поэтому кристаллизация воды в омывающих жидкостях и клетках служит критическим порогом их жизни. Однако, если верхний порог витальной зоны, который определяется тепловой коагуляцией белков, довольно узок, то нижняя граница зоны жизнедеятельности более широка и «размыта», вследствие многих прямых и косвенных адаптаций к сохранению части воды в жидком состоянии, выработавшихся у организмов в процессе эволюции. Судя по многочисленным фактам выживания микроорганизмов после глубокого охлаждения, холод не нарушает органических соединений, и при нагревании микробные тела возвращаются к жизни.

Состояние покоя, чередующееся с активной жизнедеятельностью, широко распространено в органическом мире. Переход в состояние физиологического покоя у разных микроорганизмов зачастую сопровождается образованием особых морфологических структур – эндоспор, благодаря чему, находясь в криптобиозе, они переносят неблагоприятные воздействия. Состояние покоя микроорганизмов имеет две главные функции : распространение в пространстве и сохранение во времени.

Установлено, что существует обратная зависимость между интенсивностью метаболизма и сопротивляемостью организмов неблагоприятным для активной жизнедеятельности абиотическим факторам внешней среды, таким, как низкая и высокая температура, действие облучения, химических веществ.

Устойчивость микроорганизмов к неблагоприятным сочетаниям абиотических факторов внешней среды, составляющим условия жизни, является функцией интенсивности его метаболизма. Поэтому с переходом в состояние криптобиоза микроорганизмы становятся значительно (иногда во много раз) более устойчивыми к неблагоприятным воздействиям внешней среды, чем во время их активной жизнедеятельности. Эта не видоспецифическая реакция, связанная с подавлением метаболизма, типична для всех организмов.

Выход их физиологического покоя (терминация криптобиоза) требует определенного времени и определенных условий среды. Исключительно высокая разнокачественность микробных популяций увеличивает лабильность и выносливость видов в целом и меняющимся условием обитания.

Холодоустойчивость микроорганизмов

Для каждого фермента существует зона минимума, в которой активность фермента тормозится в разной степени низкой температурой, и реакции, им катализируемые, протекают с меньшей скоростью или останавливаются. Среди многообразия адаптаций к температурным условиям среды необходимо отметить пойкилотермию микроорганизмов. Температура микробных тел следует за температурой внешней среды и микроорганизмы вынуждены периодически впадать в состояние физиологического покоя, что сопровождается повышением устойчивости к неблагоприятным абиотическим факторам.

Все живые организмы по отношению к температуре ранее был разделены на гомайотермные – поддерживающие температуру своего тела на постоянном уровне и пойкилотермные – не имеющие такой способности и полностью зависящие от температуры окружающей среды. Теперь в основу такого деления положены источники поступления тепла в живой организм. Организмы, способные образовывать тепло внутри своего организма с помощью различных физиологических и биохимических механизмов, называют эндотермными (эндотермы), а организмы, температура тела которых полностью зависит от температуры окружающей среды, т.е. определяется внешними источниками тепла – эктотермными (эктотермы).

Многочисленные наблюдения позволяют утверждать, что при переходе от среды обитания с относительно высокой температурой к среде обитания с низкой температурой эктотермные организмы способны поддерживать свой метаболизм на необходимом для нормальной жизнедеятельности уровне, для чего в процессе эволюции у них сформировались специальные генетико-биохимические механизмы.

Поддержание постоянства метаболизма у эктотермных организмов при смене температуры обитания названо температурной компенсацией. Генетико-биохимическая адаптация эктотермных организмов к изменению температурных условий обитания достигается разными путями : регуляцией экспрессии генов, изменениями функциональной активности ферментов, заменой одних изоферментов другими, изменениями концентрации ферментов в клетках и тканях и подвижностью жидкокристаллического состояния мембран.

Как происходит компенсация температурных влияний у эктотермных организмов? Это осуществляется при помощи качественной или количественной стратегии, т.е. или путем качественного изменения каталитической эффективности самих ферментов, или путем изменений количественного содержания ферментов в клетках. Под каталитической эффективностью фермента понимают меру скорости, с которой одна молекула фермента может превратить субстрат в необходимый для метаболизма продукт.

Патогенные бактерии при выведении из теплокровного организма попадают в окружающую среду, где температура значительно ниже и перепад ее для бактерий может составлять до 30-35°С. С учетом узкого диапазона активности ферментов, становится понятным, что в этих изменяющихся условиях один фермент не способен функционировать. Экзотермные организмы могут синтезировать несколько форм ферментов, сходных по функции, но отличающихся молекулярной массой и приспособленностью к различным температурам. Синтез этих форм может кодироваться разными генными локусами и тогда они называются изоферментами (изозимами).

Изоферменты, которые способны работать при различных температурах сред обитания, назвали «холодовыми» и «тепловыми» вариантами. Этих вариантов может быть от двух и более. Синтезируются они по принципу регуляции экспрессии генов. Различная температура является индуктором депрессии и репрессии операторных локусов, поскольку известно, что репрессоры при различной температуре могут более или менее активно блокировать операторные локусы генов и ослабляют или усиливают их экспрессию. Возможен вариант конформационных изменений фермента, приводящих к переходу фермента в другую форму, адаптированную для работы в холодных условиях. Таким образом, температурная фенотипическая адаптация эктотермов может происходить или вследствие замены одних изоферментов другими, или в результате изменений устойчивости одного и того же фермента.

При изменении температурных условий обитания компенсация может осуществляться за счет изменения концентрации ферментов. Однако для бактерий наиболее целесообразным представляется адаптация к изменениям температуры на изоферментном уровне.

В бактериальной клетке температурозависимые изоферменты всегда находятся в небольших количествах, чтобы немедленно включиться в метаболизм при резких перепадах температуры. А затем под ее индуктивным влиянием синтезируется изофермент, который необходим.

На основании температурного диапазона роста все микроорганизмы разделены на три основные группы: психрофилы (холодолюбивые), мезофилы (средние) и термофилы (теплолюбивые). Деление бактерий на указанные группы довольно условно, так как температурные диапазоны их роста значительно перекрываются.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 727; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!