산소 광합성의 발명자이자 지구 산소 대기의 창조자인 시아노박테리아는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 다재다능한 "생화학 공장"으로 밝혀졌습니다. 이전에는 양립할 수 없다고 여겨졌던 과정인 광합성과 대기 질소 고정을 동일한 세포에서 결합할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

시아노박테리아(Cyanobacteria), 또는 한때 청록조류라고 불렸던 이 생물권의 진화에 핵심적인 역할을 했습니다. 가장 효과적인 유형의 광합성, 즉 산소 방출과 함께 발생하는 산소 광합성을 발명 한 것은 바로 그들이었습니다. 황이나 황산염의 방출과 함께 발생하는 더 오래된 무산소 광합성은 매우 희귀한 물질인 환원된 황 화합물(예: 황화수소)이 있는 경우에만 발생할 수 있습니다. 따라서 무산소 광합성은 동물을 포함한 다양한 종속 영양 생물(유기물 소비자)의 발달에 필요한 양의 유기물 생산을 보장할 수 없습니다.

시아노박테리아는 황화수소 대신 일반 물을 사용하는 방법을 배웠으며, 이로 인해 광범위한 분포와 막대한 바이오매스가 제공되었습니다. 그들의 활동의 부산물은 대기가 산소로 포화되는 것이었습니다. 시아노박테리아가 없으면 식물도 존재할 수 없습니다. 왜냐하면 식물 세포는 비광합성 단세포 유기체와 시아노박테리아의 공생 결과이기 때문입니다. 모든 식물은 공생 시아노박테리아에 지나지 않는 특수 소기관인 색소체의 도움으로 광합성을 수행합니다. 그리고 이 공생의 책임자가 누구인지는 아직 명확하지 않습니다. 일부 생물학자들은 비유적인 표현을 사용하여 식물은 남세균이 살기에 편리한 “집”일 뿐이라고 말합니다.

시아노박테리아는 생물권을 창조했을 뿐만 아니라 " 현대적인 유형"하지만 오늘날까지도 그들은 산소를 생산하고 유기물을 합성하는 등 계속해서 이를 지원하고 있습니다. 이산화탄소. 그러나 이것이 지구 생물권 순환에서 그들의 책임 범위를 모두 소진시키는 것은 아닙니다. 시아노박테리아는 대기의 질소를 고정하여 모든 생명체가 접근할 수 있는 형태로 변환할 수 있는 몇 안 되는 생물 중 하나입니다. 질소 고정은 지상 생명체의 존재에 절대적으로 필요하며 박테리아만이 이를 수행할 수 있으며 모든 박테리아가 이를 수행할 수는 없습니다.

질소 고정 시아노박테리아가 직면한 주요 문제는 주요 질소 고정 효소인 질소 분해 효소가 광합성 중에 방출되는 산소가 있는 경우 작동할 수 없다는 것입니다. 따라서 질소고정 시아노박테리아는 세포 간 기능 분할을 발달시켰습니다. 이러한 유형의 시아노박테리아는 일부 세포는 광합성에만 관여하고 질소를 고정하지 않는 사상형 군집을 형성하는 반면, 다른 세포(조밀한 껍질로 덮인 "헤테로시스트")는 광합성을 하지 않고 질소 고정에만 관여합니다. 이 두 가지 유형의 세포는 자연적으로 제품(유기물과 질소 화합물)을 서로 교환합니다.

최근까지, 동일한 세포에서 광합성과 질소 고정을 결합하는 것은 불가능하다고 믿어졌습니다. 그러나 1월 30일, 미국 워싱턴의 Arthur Grossman과 그의 동료들은 과학자들이 지금까지 남조류의 대사 능력을 크게 과소평가해 왔다는 것을 보여주는 중요한 발견을 보고했습니다. 온천에 사는 남세균속이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 시네코코쿠스(원시적이고 고대이며 극도로 널리 퍼진 단세포 시아노박테리아가 이 속에 속함) 두 과정을 단일 세포에서 결합하여 시간에 따라 분리합니다. 낮에는 광합성을 하고, 밤에는 미생물 군집(시아노박테리아 매트)의 산소 농도가 급격히 떨어지면 질소 고정으로 전환합니다.

미국 과학자들의 발견은 전혀 놀라운 일이 아니었습니다. 다음 대상에 대한 읽기 중 지난 몇 년여러 종의 게놈 시네코코쿠스질소 고정과 관련된 단백질 유전자가 발견되었습니다. 누락된 것은 이러한 유전자가 실제로 작동한다는 실험적 증거뿐이었습니다.

시아노박테리아는 다양한 그룹의 조류와 고등 식물의 특징인 O 2 방출과 함께 원핵 세포 구조와 광합성을 수행하는 능력을 결합한 대규모 유기체 그룹을 포함합니다. 다른 왕국이나 심지어 살아있는 자연의 초왕국에 속하는 유기체에 내재된 특징의 조합으로 인해 시아노박테리아는 하등 식물(조류) 또는 박테리아(원핵생물)에 속하기 위한 투쟁의 대상이 되었습니다.

생물계에서 남조류(청록조류)의 위치에 대한 문제는 길고 논란의 여지가 있는 역사를 가지고 있습니다. 오랫동안 그들은 하등 식물 그룹 중 하나로 간주되었으므로 국제 식물 명명법 규칙에 따라 분류가 수행되었습니다. 그리고 60년대에만요. XX 세기, 원핵 세포와 진핵 세포 유형의 세포 조직 사이에 명확한 구별이 확립되었고, 이를 바탕으로 K. van Niel과 R. Steinier는 박테리아를 원핵 세포 구조를 가진 유기체로 정의하면서 다음과 같은 질문이 생겼습니다. 시스템 생물체에서 남조류의 위치를 ​​수정합니다.

이를 이용한 남조류 세포의 세포학 연구 현대적인 방법이들 유기체도 전형적인 원핵생물이라는 확실한 결론이 나왔습니다. 그 결과, R. Steinier는 "청록조류"라는 이름을 버리고 이러한 유기체를 "시아노박테리아"라고 부르기로 제안했습니다. 이는 진정한 생물학적 특성을 반영하는 용어입니다. 시아노박테리아와 다른 원핵생물의 통합으로 인해 연구자들은 이들 유기체의 기존 분류를 수정하고 이를 국제 박테리아 명명법 규칙에 따라야 할 필요성에 직면하게 되었습니다.

오랫동안 조류학자들은 남조류를 약 170속, 1000종 이상 기술해 왔습니다. 현재 순수 배양 연구를 기반으로 시아노박테리아의 새로운 분류법을 만드는 작업이 진행 중입니다. 300종 이상의 순수 시아노박테리아 균주가 이미 얻어졌습니다. 분류를 위해 일정한 형태적 특성, 배양 발달 패턴, 세포 미세 구조의 특징, 게놈의 크기 및 뉴클레오티드 특성, 탄소 및 질소 대사의 특징 및 기타 여러 가지가 사용되었습니다.

시아노박테리아는 단세포, 군집 및 다세포 형태를 포함하여 형태학적으로 다양한 그람 음성 진균 그룹입니다. 후자의 경우 구조 단위는 실(트리코메 또는 필라멘트)입니다. 스레드는 단순하거나 분기될 수 있습니다. 단순 필라멘트는 동일한 크기, 모양 및 구조를 갖는 한 줄의 세포(단일 행 모체) 또는 이러한 매개변수가 다른 세포로 구성됩니다. 분지 트리코메(branching trichomes)는 다음으로부터 발생합니다. 여러가지 이유, 이와 관련하여 거짓 및 참 분기가 구별됩니다. 실제 분지는 세포사 세포가 서로 다른 평면에서 분열하여 여러 줄의 세포사 또는 단일 행 측면 가지를 갖는 단일 행 필라멘트를 형성하는 능력에 의해 발생합니다. 트리코메스의 거짓 분지는 필라멘트 내에서 세포 분열의 특성과 관련이 없지만 서로 다른 필라멘트가 서로 비스듬히 부착되거나 연결된 결과입니다.

생활사 동안 일부 시아노박테리아는 생식(백혈구, 호르몬), 생존을 위해 분화된 단일 세포나 짧은 필라멘트를 형성합니다. 불리한 조건(포자 또는 아키네테스) 또는 호기성 조건에서 질소 고정(헤테로시스트). 시아노박테리아의 분화된 형태에 대한 보다 자세한 설명은 이들의 계통 및 질소 고정 과정을 설명할 때 아래에 제공됩니다. 에 대한 간략한 설명 akinet은 ch에 표시됩니다. 5. 이 그룹의 다양한 대표자는 미끄러지는 능력이 특징입니다. 이는 사상체 형태(모모세포 및/또는 호르몬체)와 단세포 형태(배모세포) 모두의 특징입니다.

모두 다 아는 다른 방법들시아노박테리아의 번식. 세포 분열은 가로 격막 또는 수축의 형성과 함께 동일한 이분법으로 발생합니다. 불평등한 이분법 분열(버딩); 다중 핵분열 (그림 20 참조, A~G). 이원 핵분열은 단세포 형태에서는 세포 사슬이 형성되고 필라멘트 형태에서는 단일 행 트리코가 늘어나는 한 평면에서만 발생할 수 있습니다. 여러 평면으로의 분열은 단세포 시아노박테리아에서 규칙적 또는 불규칙한 모양의 클러스터를 형성하고 사상체의 경우 다줄 삼체(필라멘트의 거의 모든 영양 세포가 그러한 분열을 할 수 있는 경우) 또는 단일 삼체의 출현으로 이어집니다 측면 단일 행 가지가 있습니다 (다른 평면에서 분할하는 기능으로 스레드의 개별 셀만 표시되는 경우). 필라멘트 형태의 재생산은 또한 하나 또는 여러 개의 세포로 구성된 트리코 단편의 도움으로 수행됩니다. 일부에서는 트리코메와 여러 특성이 다른 호르몬에 의해 그리고 유리한 아키네테스 발아의 결과로 수행됩니다. 정황.

국제 박테리아 명명법 규칙에 따라 시아노박테리아를 분류하기 위해 시작된 작업으로 목 순위에서 서로 다른 5개의 주요 분류군이 식별되었습니다. 형태학적 특징(표 27). 확인된 속을 특성화하기 위해 세포 미세구조, 유전 물질, 생리학적 및 생화학적 특성 연구에서 얻은 데이터도 사용되었습니다.

Chroococcales 목에는 단일 세포 형태 또는 군체 형태로 존재하는 단세포 남조류가 포함됩니다(그림 80). 이 그룹의 대부분의 대표자는 각 세포를 둘러싸는 외피의 형성과 더불어 세포 그룹을 함께 유지하는 것, 즉 콜로니 형성에 참여하는 것이 특징입니다. 세포가 껍질을 형성하지 않는 시아노박테리아는 쉽게 단일 세포로 분해됩니다. 번식은 하나 이상의 평면에서의 이분법 분열과 출아에 의해 수행됩니다.

표 27. 남조류의 주요 분류군

1. 독립 영양 영양. 광합성, 그 의미.

독립 영양 영양신체 자체가 무기 물질에서 유기 물질을 합성할 때 광합성과 화학 합성(일부 박테리아의 경우)이 포함됩니다.

광합성은 식물과 시아노박테리아에서 발생합니다. 광합성은 산소 방출과 함께 빛 속에서 이산화탄소와 물로부터 유기 물질이 형성되는 것입니다. 고등 식물에서 광합성은 엽록체(식물의 녹색 부분의 색을 결정하는 엽록소를 포함하는 타원형 색소체)에서 발생합니다. 조류에서 엽록소는 모양이 다른 크로마토포어에 포함되어 있습니다. 접근이 어려운 상당한 깊이에 서식하는 갈조류와 홍조류 햇빛, 다른 안료가 있습니다.

광합성은 식물뿐만 아니라 이를 먹고 사는 동물에게도 유기물을 제공합니다. 즉, 지구상의 모든 생명체의 식량 공급원입니다.

광합성 중에 방출되는 산소는 대기로 유입됩니다. 오존은 상층 대기의 산소로부터 형성됩니다. 오존 스크린은 강한 자외선으로부터 지구 표면을 보호하여 살아있는 유기체가 육지에 도달할 수 있게 해줍니다.

식물과 동물의 호흡에는 산소가 필요합니다. 포도당이 산소와 함께 산화되면 미토콘드리아는 산소가 없을 때보다 거의 20배 더 많은 에너지를 저장합니다. 이는 식품의 사용을 훨씬 더 효율적으로 만들었습니다. 높은 레벨새와 포유류의 신진 대사.

이 모든 것을 통해 우리는 광합성의 행성적 역할과 "지구의 폐"라고 불리는 숲을 보호해야 할 필요성에 대해 이야기할 수 있습니다.

2. 동물계의 특징. 자연에서 동물의 역할. 미리 만들어진 원생동물 미세표본 중에서 녹색 유글레나를 찾으세요. 녹색 유글레나가 식물학자들에 의해 식물로 분류되고 동물학자에 의해 동물로 분류되는 이유를 설명하십시오.

동물의 왕국으로식세포인 종속 영양 유기체를 포함합니다. 다소 큰 부분, 즉 "조각"으로 음식을 흡수합니다. 용액(삼투균) 형태로 영양분을 흡수하는 버섯과는 다릅니다.

동물은 이동성이 특징이지만 일부 강장 동물은 성인이 되어 앉아서 ​​생활하는 생활 방식을 선도합니다. 또한 대부분의 동물에는 자극에 반응하는 신경계가 있습니다. 동물은 초식동물, 육식동물(포식자, 청소동물) 및 잡식동물일 수 있습니다. 자연에서 동물은 소비자이며 기성 유기물을 소비하며 생태계와 생물권 전체의 물질 순환을 크게 가속화합니다. 동물은 수분 매개자가 되고, 씨앗을 퍼뜨리고, 토양을 느슨하게 하고, 배설물로 토양을 풍요롭게 함으로써 많은 식물 종이 번성하도록 돕습니다. 우리는 대기 중 이산화탄소 농도를 일정하게 유지하는 데 기여하는 석회질 골격을 가진 해양 동물 덕분에 분필과 석회암 매장량이 형성되었습니다.

단세포 생물인 유글레나 그린은 분류학에서 중간 위치를 차지하며, 여러 왕국에 고유한 특징을 가지고 있습니다. 엽록체를 가지고 있으며 광합성을 통해 빛을 공급받습니다. 특히 어두운 곳에서 물에 용해된 유기 물질이 있으면 이를 흡수하여 종속영양 영양으로 전환합니다. 편모가 있으면 이동성이 보장되어 동물과 유사해집니다.

3. 무조건 반사와 조건 반사의 생물학적 중요성을 설명하십시오. 반사궁(무조건 반사)의 다이어그램을 그리고 그것이 어떤 부분으로 구성되어 있는지 설명하십시오. 무조건적인 인간 반사의 예를 들어보십시오.

반사 신경의 교리러시아 생리학자 Ivan Mikhailovich Sechenov의 작품과 관련이 있습니다.

반사는 신경계의 참여로 수행되는 자극에 대한 신체의 반응입니다. 반사는 무조건적(선천적 및 조건부)으로 일생 동안 획득됩니다.

무조건 반사는 일정한 환경 조건과 삶의 초기 단계에서 유기체와 종의 생존을 보장합니다. 여기에는 보호(얼룩이 눈에 들어갈 때 깜박임), 표시(주변 세계 연구), 영양(어린이 빨기, 타액 생성)이 포함됩니다. 본능은 또한 본질적으로 선천적입니다. 때로는 조건 없는 반사의 복잡한 순서로 간주됩니다. 가장 중요한 본능은 출산이다.

조건 반사는 새로운 조건에 적응하는 데 사용됩니다. 특정 조건에서 형성되며 최상의 반응을 제공합니다. 조건 반사의 예는 익숙한 모이통에 새가 도착하고, 식용과 먹을 수 없는 것을 인식하고(처음에는 병아리가 모든 것을 쪼아댄다), 개에게 명령을 가르치는 것입니다.

무조건 무릎 반사의 반사궁에는 다음이 포함됩니다. 수용체 - 감각 뉴런의 끝, 신호가 중앙으로 전달되는 신경 경로 신경계– 척수에 신호를 전달하는 민감한 뉴런, 반응 명령을 전달하는 척수의 전근에 있는 실행 뉴런, 반응을 생성하는 기관이 근육입니다.

대부분의 다른 반사 신경에는 추가적인 개재뉴런이 포함됩니다.

엽록체는 광합성이 일어나는 막 구조입니다. 고등 식물과 시아노박테리아의 이러한 과정을 통해 지구는 이산화탄소를 재활용하고 산소 농도를 보충함으로써 생명을 유지하는 능력을 유지할 수 있었습니다. 광합성 자체는 틸라코이드와 같은 구조에서 발생합니다. 이는 양성자 전달, 물의 광분해, 포도당과 ATP의 합성이 일어나는 엽록체의 막 "모듈"입니다.

식물 엽록체의 구조

엽록체는 식물 세포와 클라미도모나스의 세포질에 위치한 이중막 구조입니다. 대조적으로, 시아노박테리아 세포는 엽록체가 아닌 틸라코이드에서 광합성을 수행합니다. 이것은 세포질의 함입에 위치한 광합성 효소를 통해 영양을 공급할 수 있는 미개발 유기체의 예입니다.

구조상 엽록체는 소포 형태의 이중막 소기관입니다. 그들은 광합성 식물의 세포에 대량으로 위치하고 있으며 자외선과 접촉하는 경우에만 발생합니다. 엽록체 내부에는 액체 간질이 있습니다. 그 구성은 hyaloplasm과 유사하며 전해질이 용해되고 단백질이 부유하는 85%의 물로 구성됩니다. 엽록체의 간질에는 광합성의 밝은 단계와 어두운 단계가 직접 발생하는 구조인 틸라코이드가 포함되어 있습니다.

엽록체의 유전 장치

틸라코이드 옆에는 광합성의 결과로 얻은 포도당의 중합 산물인 전분과 과립이 있습니다. 흩어져 있는 리보솜과 함께 색소체 DNA도 간질에 존재합니다. 여러 개의 DNA 분자가 있을 수 있습니다. 그들은 생합성 장치와 함께 엽록체의 구조를 복원하는 역할을 담당합니다. 이는 세포핵의 유전 정보를 사용하지 않고 발생합니다. 또한 이 현상을 통해 세포 분열 시 엽록체의 독립적인 성장 및 재생 가능성을 판단할 수 있습니다. 따라서 엽록체는 어떤 측면에서 세포핵에 의존하지 않으며 공생체, 저개발 유기체를 나타냅니다.

틸라코이드의 구조

틸라코이드는 엽록체의 간질에 위치한 원반 모양의 막 구조입니다. 시아노박테리아에서는 독립적인 엽록체가 없기 때문에 세포질막의 함입부에 위치합니다. 틸라코이드에는 두 가지 유형이 있습니다. 첫 번째는 루멘 틸라코이드이고 두 번째는 층판 틸라코이드입니다. 루멘이 있는 틸라코이드는 직경이 더 작고 디스크입니다. 여러 개의 틸라코이드가 수직으로 배열되어 그라나를 형성합니다.

라멜라 틸라코이드는 내강이 없는 넓은 판입니다. 그러나 그것들은 여러 측면이 붙어 있는 플랫폼입니다. 광합성은 세포의 기계적 손상에 강한 강한 구조를 형성하는 데 필요하기 때문에 실제로 발생하지 않습니다. 전체적으로 엽록체에는 광합성이 가능한 루멘이 있는 10~100개의 틸라코이드가 포함될 수 있습니다. 틸라코이드 자체는 광합성을 담당하는 기본 구조입니다.

광합성에서 틸라코이드의 역할

광합성의 가장 중요한 반응은 틸라코이드에서 일어난다. 첫 번째는 물 분자의 광분해 분해와 산소 합성입니다. 두 번째는 시토크롬 분자 복합체 b6f와 전기 수송 사슬을 통해 막을 통해 양성자가 이동하는 것입니다. 고에너지 분자 ATP의 합성도 틸라코이드에서 발생합니다. 이 과정은 틸라코이드막과 엽록체 간질 사이에서 발생하는 양성자 구배를 사용하여 발생합니다. 이는 틸라코이드의 기능이 광합성의 전체 광 단계가 발생하도록 허용한다는 것을 의미합니다.

광합성의 가벼운 단계

광합성이 존재하기 위한 필수 조건은 막 전위를 생성하는 능력입니다. 이는 미토콘드리아 막보다 1000배 더 큰 H+ 구배를 생성하는 전자와 양성자의 전달을 통해 달성됩니다. 세포에서 전기화학적 전위를 생성하기 위해 물 분자에서 전자와 양성자를 취하는 것이 더 유리합니다. 틸라코이드 막에 자외선 광자의 영향을 받아 이것이 가능해집니다. 하나의 물 분자에서 전자가 떨어져 나가서 양전하따라서 중화하려면 양성자 하나를 제거해야 합니다. 결과적으로 4개의 물 분자가 전자와 양성자로 분해되어 산소를 형성합니다.

광합성 과정의 사슬

물의 광분해 후 멤브레인이 재충전됩니다. 틸라코이드는 양성자 수송 중에 산성 pH를 가질 수 있는 구조입니다. 이때 엽록체 기질의 pH는 약알칼리성이다. 이는 전기화학적 전위를 생성하여 ATP 합성을 가능하게 합니다. 아데노신 삼인산 분자는 나중에 에너지 수요와 광합성의 어두운 단계에 사용될 것입니다. 특히, ATP는 세포에서 이산화탄소를 활용하기 위해 사용되는데, 이는 이를 응축하고 이를 기반으로 포도당 분자를 합성함으로써 달성됩니다.

그 과정에서 NADP-H+는 암흑 단계에서 NADP로 환원됩니다. 전체적으로, 포도당 1분자를 합성하려면 ATP 18분자, 이산화탄소 6분자, 양성자 24개가 필요합니다. 이를 위해서는 6개의 이산화탄소 분자를 활용하기 위해 24개의 물 분자가 광분해되어야 합니다. 이 과정을 통해 6개의 산소 분자가 방출되며, 이는 나중에 다른 유기체의 에너지 요구에 사용될 것입니다. 동시에, 틸라코이드는 (생물학에서) 태양 에너지와 pH 구배에 따른 막횡단 전위를 사용하여 화학 결합 에너지로 변환할 수 있는 막 구조의 예입니다.