Экология микроорганизмов. Микроорганизмы в биосфере.

Экология микроорганизмов.
Микроорганизмы в биосфере.
Микробиология (Межфакультетский курс)
Лекция 11 марта 2015
Доцент каф. микробиологии
Колотилова Н.Н.
Содержание лекции
• Часть 1. Экология микроорганизмов. Микробное сообщество.
• Экология микроорганизмов: аутоэкология и синэкология.
Микробное сообщество как система. Трофические и топические
связи в микробном сообществе. Примеры микробных
сообществ (в том числе циано-бактериальные маты).
Реликтовые сообщества.
• Часть 2. Микроорганизмы в биосфере.
• Участие микроорганизмов в круговоротах элементов –
«биогеохимическая машина планеты». Роль микроорганизмов в
истории биосферы. География микробных сообществ. Значение
микробиологии для формирования естественнонаучного
мировоззрения.
План лекции
• Основные разделы экологии микроорганизмов.
• Микробное сообщество. Трофическая и топическая
структура микробного сообщества.
• Реликтовые сообщества. Термофильный,
галофильный, алкалофильный маты.
• Система циклов элементов – «биогеохимическая
машина планеты».
• Микроорганизмы в геологической истории Земли.
Циано—бактериальные маты как стволовая линия
эволюции биосферы. Строматолиты.
• «Планета бактерий».
Под экологией (Э.Геккель, 1866) мы понимаем общую
науку об отношении микроорганизмов с окружающей
средой, куда мы относим в широком смысле все
условия существования.
• Аутэкология – раздел экологии, изучающий
действие различных абиотических факторов среды
на отдельные виды и популяции.
Это физические и химические факторы (рН, температура,
излучение, давление, о-в потенциал и т.д.). При оценке
действия того или иного фактора определяют кардинальные
точки (оптимум, минимум и максимум), диапазон между
последними составляет пределы толерантности организма.
• Демэкология (популяционная экология) – экология
популяций.
• Синэкология – раздел экологии, изучающий
сообщества организмов.
Кардинальные точки. Отношение разных
микроорганизмов к температуре и солености
Микробное сообщество
• Микробное сообщество – совокупность
взаимодействующих между собой функционально
различных микроорганизмов. Они связаны
единством времени и пространства. Организация
сообщества следует задаче обеспечить наибольшую
устойчивость системы в рамках естественного
отбора.
• Трофическая (пищевая) структура микробного
сообщества. Кооперативные и конкурентные
взаимоотношения.
• Топическая (пространственная) структура
микробного сообщества.
Пути метаболизма в сообществе
(по: Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н., 2001)
«Круговорот углерода»
• Фотосинтез
• Н2О + СО2 = «СН2О» + О2
• Дыхание (деструкция)
Продукционная ветвь круговорота С.
Первичная продукция
(по: Г.А.Заварзин, Н.Н.Колотилова, 2001).
Начальные этапы деструкции
(по Г.А.Заварзин, Н.Н.Колотилова, 2001)
Трофическая цепь в метаногенном микробном сообществе (по Г.А.Заварзину)
органические макромолекулы
белки, полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты
гидролиз
гидролитики
диссипотрофы
олигомеры и мономеры
аминокислоты, нуклеотиды, сахара, жирные кислоты
первичные
брожения
вторичные
бродильщики
ЛЖК, пропионат, бутират,
лактат, ароматика и др.
.
синтрофы
формиат
ацетат
СО2+Н2
гомоацетогены
гидрогенотрофные
метаногены
метаногенез
С-1 соединения
ацетокластические
метаногены
СН4
метилотрофные
метаногены
Трофические связи в анаэробном микробном
сообществе (по Г.А.Заварзин, 2003)
Трофическая структура микробного сообщества
Микробное сообщество
• Микробное сообщество – автономная
самоподдерживающаяся целостность
• Микробное сообщество представляет
кооперативное единство
• Кооперация в сообществе основана на
взаимодействии функционально различных
групп организмов
• Функциональное различие не обязательно
коррелирует с происхождением
Филогенетическое дерево бактерий
Реликтовые сообщества.
Циано-бактериальные маты
(Трофические и топические взаимодействия;
архитектура микробного сообщества)
Циано-бактериальные маты
(использованы фотографии Г.А.Заварзина)
Положительные и отрицательные связи в
циано-бактериальном мате
Строматолиты
И.Н.Крылов. Строматолиты
Распространение строматолитов в докембрии
(разнообразие)
Литификация Microcoleus
Соотношение Редфилда
(для биомассы морского фитопланктона)
• С106N6Р1
Сопряжение биогеохимических циклов
резервуары 1018г элемента
Слайд из презентации Г.А.Заварзина
свет
0.7
углекислотное
выветривание
горных пород
P
СО2
38
КА
О2 атмосферы
О2
1190
РубисКО
цикл
органического
углерода
0.5 +1.5
S
Fe
N
карбонаты + глины
CaMgCO3+ SiAl
>60000 C
Кероген
1500
Сульфаты
моря
1280 +
7440 породы
Окислы
железа
Реликтовые сообщества на континенте
Активный
край
Пассивный
край
Бессточная область
термофилы
педимент
лагуна
«омброфилы»
алкалофилы
вулкан
седиментация
галофилы
соль
сода
Строматолиты
диагенез
равнина
кратон
Океани
-ческая
кора
гипертермофилы
склон
Экология микроорганизмов континентальных
водоемов
Микробные процессы в биоценозе горячих
гидротерм («черные курильщики»)
Микробиологические аспекты почвоведения
Заварзин
Георгий Александрович
Лекция биофак МГУ
2009
Микробиология как
центральная дисциплина
биологии
Далее следуют слайды из презентации
Г.А.Заварзина
Приоритеты значимости в естествознании
(ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ)
1. Универсальность
2. Масштабность
3. Элементарность
организмы
4. Первичность
эволюционное
положение
5. Повсеместность
крайние пределы
жизни
потоки вещества
невозможность
упрощения
Численность прокариот
(Whitman W.B., Coleman D.C., Wiebe W.J. Prokaryotes: The unseen majority. //PNAS on line, (1998),
95 (12) : 6578-6583).
Масса прокариот (Пг) 350-500 Сорг, 85-130 Nорг , 9-14 Рорг
Продукция 1.7∙1030 клеток/год
Биом
Число клеток
Время удвоения
Открытый океан
1.2∙1029
6-25 суток (200м)
0.8 года (глубже)
Почва
2.6∙1029
2.5 года
Осадки океана
3.5∙1030
1-2 тыс. лет
0.25-25∙1030
?
Наземные грунты
Области жизни прокариот и эукариот
(из презентации академика Г.А.Заварзина)
O2
T>100
pH<2
TDS~250g/L
эукариоты
pH>12
<0
TDS 0 g/L
H2
Время появления групп организмов
млрд. лет (Розанов, 2005)
метазоа
метафита (водоросли)
грибы
эукариоты
цианобактерии
бактерии sensu lato
не позднее
1,8-1,5
2,2-1,9
2,4-2,2
3,0-2,7
3,5
3,8
Время преобладания групп в биосфере дается по
большинству источников много позже
История биосферы
архей
протерозой
Мезо-
Палео-
4
2
3
Железистые кварциты
Нео-
фанерозой
0
1
сульфиды
сульфаты
кислород атмосферы
доломиты
строматолиты
Гидрогенотрофные хемосинтетики?
известняки
зеленые
эволюция биоразнообразия:
лестница вместо дерева
животные
и
растения
тканевые
беспозвоночные и
водоросли
эвкариоты:
водоросли, грибы и
протисты
прокариоты
млрд.
лет
3
2
1
0
Все мы вышли из циано-бактериального
сообщества
Все вновь возникающее должно быть совместимо с
существующим
Чтобы существовать, новое должно сохранить старое как
функциональную структуру системы
Новое может сохраниться, заняв функциональную позицию
старого
Новое вписывается в старое
Поскольку микробная система является первоначальной, еѐ
сохранение есть условие существования всех последующих
биосфер, включая современную
Аддитивная эволюция
основана на кооперации нового со старым и включении
нового в старую систему
новый
компонент
новый
компонент
предшествующая
система
новое состояние системы
Микроорганизмы в глобальной истории Земли (МГУ, 2013)
Литература:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Биология гидротермальных систем / ред. Гебрук А.В. М., КМК, 2002.
Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Т.: ЛГУ, 1989.
Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. М.: Наука, 1984.
Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н. Введение в природоведческую
микробиологию. М.: Издательский Дом Университет, 2001.
Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука,
2003.
Заварзин Г.А. Эволюция прокариотной биосферы. Микробы в
круговороте жизни: 120 лет спустя. Чтение С.Н.Виноградского. М.:
МАКС Пресс, 2011.
Заварзин Г.А. Какосфера. М.: Рутения, 2011а.
Заварзин Г.А. Микробиология как центральная дисциплина биологии //
Природа. 2012. №1.
Звягинцев Д.Г. с соавт. Биология почв. М., МГУ, 2005.
Нетрусов А.И. с соавт. Экология микроорганизмов. М.: Юрайт, 2013.
Факультет _____________________________
Курс __________________________________
Группа ________________________________
Фамилия Имя Отчество __________________
Дата: 11 марта 2015 г.
Вопрос 1.
В круговоротах каких элементов прямо или
опосредованно участвуют прокариоты?
Вопрос 2.
Какие группы бактерий входят в состав цианобактериальных матов? Перечислите.
Вопрос 3.
Почему микробиологию можно назвать
центральной биологической дисциплиной?