Микроскоптық тірі организмдер

Кіріспе

Микроскопиялық тірі организм

Микроорганизм, немесе микроб – микроскоптық өлшемдегі организм, ол жеке жасушалы нысанда немесе жасушалардың колониясы түрінде өмір сүре алады. Көзге көрінбейтін микробтық өмірдің болу мүмкіндігі ежелгі заманнан бері күдік тудырған, мысалы, б.з.д. VI ғасырға жататын Үндістанның джайни діни кітаптарында айтылған. Микроорганизмдерді ғылыми тұрғыдан зерттеу 1670 жылдары Антон ван Левенгуктің микроскоп астында байқауымен басталды. 1850 жылдары Луи Пастер микроорганизмдердің тағамның бұзылуына себеп болатынын анықтады, соның нәтижесінде спонтандық пайда болу теориясы жоққа шығарылды. 1880 жылдары Роберт Кох туберкулез, холера, дифтерия және көмір қызыл ауруларын микроорганизмдердің тудыратынын ашты. Микроорганизмдерге өмірдің барлық үш доменінен көптеген бір жасушалы организмдер кіретіндіктен, олар өте алуан түрлі болуы мүмкін. Үш доменнің екеуінде – Архея және Бактерияда тек микроорганизмдер ғана бар. Үшінші домен – Эукариотаға барлық көп жасушалы организмдер, сондай-ақ көптеген бір жасушалы протистер мен протозоалар кіреді, олар микробтар болып табылады. Кейбір протистер жануарлармен, ал кейбіреулері жасыл өсімдіктермен туыс. Сонымен қатар, микроскоптық көптеген көп жасушалы организмдер де бар, атап айтқанда микро жануарлар, кейбір саңырауқұлақтар және кейбір балдырлар, бірақ олар көбінесе микроорганизмдер деп есептелмейді. Микроорганизмдердің мекендеу ортасы әртүрлі болуы мүмкін, олар полюстерден экваторға дейін, шөлдерде, гейзерлерде, тау жыныстарында және терең теңізде өмір сүреді. Кейбіреулері өте ыстық немесе өте суық жағдайларға, ал басқалары жоғары қысымға бейімделген, ал Deinococcus radiodurans сияқтылары жоғары сәулелену ортасына төтеп бере алады. Микроорганизмдер сонымен қатар барлық көп жасушалы организмдерде және олардың бетінде кездесетін микробиотаны құрайды. Австралиядағы 3,45 миллиард жылдық тастардың бір кезде микроорганизмдер қамтығаны анықталды, бұл Жердегі өмірдің ең алғашқы тікелей дәлелі. Микробтар адам мәдениеті мен денсаулығында көптеген маңызды рөлдер атқарады, олар тағамды ашытуға, сарқынды суды тазалауға, сондай-ақ отын, ферменттер және басқа да биоактивті қосылыстар өндіруге пайдаланылады. Микробтар биологияда модельдік организмдер ретінде маңызды құрал болып табылады және биологиялық соғыс пен биотерроризмде қолданылған. Микробтар құнарлы топырақтың маңызды құрамдас бөлігі. Адам организмінде микроорганизмдер адам микробиотасын құрайды, оның ішінде маңызды ішек флорасы да бар. Көптеген жұқпалы ауруларға себеп болатын патогендер – микробтар, сондықтан гигиеналық шаралар оларға қарсы бағытталған.

A microorganism, or microbe, is an organism of microscopic size, which may exist in its single celled form or as a colony of cells. The possible existence of unseen microbial life was suspected from ancient times, such as in Jain scriptures from sixth century BC India. The scientific study of microorganisms began with their observation under the microscope in the 1670s by Anton van Leeuwenhoek. In the 1850s, Louis Pasteur found that microorganisms caused food spoilage, debunking the theory of spontaneous generation. In the 1880s, Robert Koch discovered that microorganisms caused the diseases tuberculosis, cholera, diphtheria, and anthrax. Because microorganisms include most unicellular organisms from all three domains of life they can be extremely diverse. Two of the three domains, Archaea and Bacteria, only contain microorganisms. The third domain Eukaryota includes all multicellular organisms as well as many unicellular protists and protozoans that are microbes. Some protists are related to animals and some to green plants. There are also many multicellular organisms that are microscopic, namely micro animals, some fungi, and some algae, but these are generally not considered microorganisms. Microorganisms can have very different habitats, and live everywhere from the poles to the equator, deserts, geysers, rocks, and the deep sea. Some are adapted to extremes such as very hot or very cold conditions, others to high pressure, and a few, such as Deinococcus radiodurans, to high radiation environments. Microorganisms also make up the microbiota found in and on all multicellular organisms. There is evidence that 3.45 billion year old Australian rocks once contained microorganisms, the earliest direct evidence of life on Earth. Microbes are important in human culture and health in many ways, serving to ferment foods and treat sewage, and to produce fuel, enzymes, and other bioactive compounds. Microbes are essential tools in biology as model organisms and have been put to use in biological warfare and bioterrorism. Microbes are a vital component of fertile soil. In the human body, microorganisms make up the human microbiota, including the essential gut flora. The pathogens responsible for many infectious diseases are microbes and, as such, are the target of hygiene measures.

19 ғасыр

Луи Пастер (1822–1895) қайнатылған сорпаларды ауаға ұсынды, ыдыстардағы сүзгі бөлшектердің өсу ортасына өтуіне кедергі келтірді, ал сүзгісіз ыдыстарда, бірақ иілген түтік арқылы ауа кіруге мүмкіндік берді, соның салдарынан шаң бөлшектері тұнып, сорпамен жанаспады. Пастер сорпаны алдын ала қайнату арқылы тәжірибесінің басында оның ішінде микроорганизмдердің тірі қалмауын қамтамасыз етті. Пастердің тәжірибесі барысында сорпаларда ешқандай өсім болған жоқ. Бұл, мұндай сорпаларда өскен тірі организмдер сырттан келгенін, сорпаның ішінде өздігінен пайда болған емес, шаңдағы споралар түрінде келгенін көрсетті. Осылайша Пастер өзінен пайда болу теориясын жоққа шығарып, аурудың микробтық теориясын қолдады. 1876 жылы Роберт Кох (1843–1910) микроорганизмдердің ауру тудыруы мүмкін екенін анықтады. Ол сиырдың антракспен зарарланған қанында әрқашан Bacillus anthracis бактериясының көп мөлшерде болатынын тапты. Кох антракс ауруын бір жануардан екіншісіне жұқтыра алатынын анықтады: ол зарарланған жануардың қанынан аз ғана үлгі алып, сау жануарға егу арқылы оны ауырсытты. Сондай-ақ, ол бактерияларды қоректік сорпадан өсіріп, одан кейін сау жануарға егу арқылы ауру тудыра алатынын анықтады. Осы тәжірибелер негізінде ол микроорганизм мен ауру арасындағы себеп-салдар байланысын орнату критерийлерін жасады, қазір бұл Кохтың постулаттары деп белгілі. Бұл постулаттарды барлық жағдайларда қолдану мүмкін болмаса да, олар ғылыми ойдың дамуына тарихи маңызға ие және бүгінгі күнге дейін қолданылып келеді. Жануарлар және өсімдіктер әлеміне жатпайтын, фотосинтездей алатын (өсімдіктер сияқты), бірақ қозғалмалы (жануарлар сияқты) микроорганизмдердің, мысалы, Euglena-ның табылуы 1860 жылдары үшінші патшалықты атауға әкелді. 1860 жылы Джон Хог оны Protoctista деп атады, ал 1866 жылы Эрнст Геккель оны Protista деп атады. Пастер мен Кохтың жұмыстары тікелей медициналық маңызы бар микроорганизмдерге баса назар бергендіктен, микробтық әлемнің нақты әртүрлілігін толық көрсетпеді. XIX ғасырдың соңында Мартин Бейеринк пен Сергей Виноградскийдің жұмыстары ғана микробиологияның толық кеңдігін ашты. Бейеринк микробиологияға екі маңызды үлес қосты: вирустарды ашу және байыту мәдениетінің әдістерін әзірлеу. Оның темекі мозаикасы вирусы бойынша жұмысы вирусологияның негізгі принциптерін қалыптастырды, бірақ микробиологияға ең көп әсер еткені – физиологиясы әртүрлі микроорганизмдерді өсіруге мүмкіндік берген байыту мәдениетін дамыту болды. Виноградский бірінші болып хемолитотрофия тұжырымдамасын әзірледі, соның арқасында микроорганизмдердің геохимиялық процестердегі маңызды рөлін ашты. Ол нитрификациялау және азотты бекіту бактерияларын алғаш рет оқшаулап, сипаттады.

Louis Pasteur (1822–1895) exposed boiled broths to the air, in vessels that contained a filter to prevent particles from passing through to the growth medium, and also in vessels without a filter, but with air allowed in via a curved tube so dust particles would settle and not come in contact with the broth. By boiling the broth beforehand, Pasteur ensured that no microorganisms survived within the broths at the beginning of his experiment. Nothing grew in the broths in the course of Pasteur's experiment. This meant that the living organisms that grew in such broths came from outside, as spores on dust, rather than spontaneously generated within the broth. Thus, Pasteur refuted the theory of spontaneous generation and supported the germ theory of disease. In 1876, Robert Koch (1843–1910) established that microorganisms can cause disease. He found that the blood of cattle that were infected with anthrax always had large numbers of Bacillus anthracis. Koch found that he could transmit anthrax from one animal to another by taking a small sample of blood from the infected animal and injecting it into a healthy one, and this caused the healthy animal to become sick. He also found that he could grow the bacteria in a nutrient broth, then inject it into a healthy animal, and cause illness. Based on these experiments, he devised criteria for establishing a causal link between a microorganism and a disease and these are now known as Koch's postulates. Although these postulates cannot be applied in all cases, they do retain historical importance to the development of scientific thought and are still being used today. The discovery of microorganisms such as Euglena that did not fit into either the animal or plant kingdoms, since they were photosynthetic like plants, but motile like animals, led to the naming of a third kingdom in the 1860s. In 1860 John Hogg called this the Protoctista, and in 1866 Ernst Haeckel named it the Protista. The work of Pasteur and Koch did not accurately reflect the true diversity of the microbial world because of their exclusive focus on microorganisms having direct medical relevance. It was not until the work of Martinus Beijerinck and Sergei Winogradsky late in the nineteenth century that the true breadth of microbiology was revealed. Beijerinck made two major contributions to microbiology: the discovery of viruses and the development of enrichment culture techniques. While his work on the tobacco mosaic virus established the basic principles of virology, it was his development of enrichment culturing that had the most immediate impact on microbiology by allowing for the cultivation of a wide range of microbes with wildly different physiologies. Winogradsky was the first to develop the concept of chemolithotrophy and to thereby reveal the essential role played by microorganisms in geochemical processes. He was responsible for the first isolation and description of both nitrifying and nitrogen fixing bacteria.

Жіктеу және құрылым

Микроорганизмдерді Жер бетінде кездесетін барлық жерде табуға болады. Бактериялар мен археялар көбінесе микроскопиялық болып келеді, ал көптеген эукариоттар да микроскопиялық, оның ішінде көптеген протостар, кейбір саңырауқұлақтар, сондай-ақ кейбір ұсақ жануарлар мен өсімдіктер. Вирустар көбінесе тірі емес деп есептеледі, сондықтан оларды микроорганизмдерге жатқызбау қалыпты, бірақ вирусология – микробиологияның бір саласы болып табылады және вирустарды зерттейді.

Эволюция

Бір жасушалы микроорганизмдер Жер бетінде шамамен 3,5 миллиард жыл бұрын пайда болған алғашқы тіршілік нысандары болды. Одан әрі эволюция баяу жүрді, ал кембрийге дейінгі эонның (Жердегі өмір тарихының көп бөлігі) шамамен 3 миллиард жылында барлық организмдер микроорганизмдер болды. 220 миллион жылдық кеңірде бактериялар, балдырлар және саңырауқұлақтар табылған, бұл микроорганизмдердің морфологиясы кем дегенде триас кезеңінен бері көп өзгермегенін көрсетеді. Дегенмен, жаңадан ашылған никельдің биологиялық ролі – әсіресе Сибір тұзақтарынан шыққан жанартаулық атқылаулардың нәтижесінде – пермь-триас жойылған оқиғасының соңында метаногендердің эволюциясын үдеткен болуы мүмкін. Микроорганизмдер салыстырмалы түрде жылдам эволюциялайды. Көптеген микроорганизмдер тез көбейе алады, ал бактериялар конъюгация, трансформация және трансдукция арқылы тіпті алыс түрлер арасында да гендерді еркін алмаса алады. Бұл көлденең гендердің берілуі, жоғары мутация жылдамдығы және басқа да түрлендіру механизмдерімен бірге микроорганизмдерге жаңа ортада тіршілік етуге және қоршаған ортаның стрессіне жауап беру үшін (табиғи іріктеу арқылы) жылдам эволюциялауға мүмкіндік береді. Бұл жылдам эволюция медицинада маңызды, өйткені ол көп дәріге төзімді патогенді бактериялардың – «супербактериялардың» пайда болуына әкелді, олар антибиотиктерге төзімді. 2012 жылы жапон ғалымдары прокариоттар мен эукариоттар арасындағы мүмкін болатын микроорганизмнің аралық түрін тапты. *Parakaryon myojinensis* – әдеттегі прокариоттан үлкен, бірақ эукариоттардағыдай мембранаға жабық ядролық материалы және эндосимбионттардың болуымен ерекшеленетін микроорганизм. Бұл прокариоттан эукариотқа даму сатысын көрсететін микроорганизмнің алғашқы сенімді эволюциялық нысаны болып саналады.

Археялар

Археялар – прокариоттық бір жасушалы организмдер және Карл Вуздың үш домендік жүйесінде тіршіліктің бірінші доменін құрайды. Прокариот – жасуша ядросы немесе басқа мембранаға байланған органеллалары жоқ организм деп анықталады. Археялар осы анықтамалық белгіні бактериялармен бөліседі, олармен бұрын топтастырылған болатын. 1990 жылы микробиолог Вуз тірі организмдерді бактерияларға, археяларға және эукариоттарға бөліп, осылайша прокариоттар доменін екіге бөлген үш домендік жүйені ұсынды. Археялар генетикасы және биохимиясы жағынан бактериялардан ерекшеленеді. Мысалы, бактерия жасуша мембраналары эфир байланыстары бар фосфоглицеридтерден тұрады, ал архея мембраналары эфир липидтерінен жасалған. Археялар бастапқыда ыстық бұлақтар сияқты экстремалды ортада тіршілік ететін экстремофилдер ретінде сипатталған, бірақ кейіннен барлық типтегі орталарда кездесетіні анықталды. Ғалымдар қазір ғана археялардың қоршаған ортада қаншалықты кең таралғанын түсіне бастады, мұхиттағы ең көп кездесетін тіршілік түрі – термопротеота (бұрынғы Crenarchaeota) тереңдіктегі экожүйелерге басымдық етеді. Бұл организмдер топырақта да кең таралған және аммиакты тотықтыруда маңызды рөл атқарады. Археялар мен бактериялардың біріккен домендері Жердегі ең алуан түрлі және көптеген организмдердің тобын құрайды және температурасы + төмен болатын барлық дерлік ортада қоныстанды. Олар судың, топырақтың, ауаның құрамында, организмдердің микробиомы ретінде, ыстық бұлақтарда және тіпті Жер қыртысының терең қабаттарындағы тастарда кездеседі. Прокариоттардың саны шамамен бес нонильонға, яғни 5 × 1030-ға жуық деп есептеледі, бұл Жердегі биомассаның кем дегенде жартысын құрайды. Прокариоттардың биоәртүрлілігі әлі толық белгілі емес, бірақ өте кең болуы мүмкін. 2016 жылдың мамырындағы есептеулер, белгілі түрлер саны мен организмнің мөлшері арасындағы заңдылықтарға сүйене отырып, планетада шамамен 1 триллион түр болуы мүмкін деген болжам жасалды, олардың көпшілігі микроорганизмдер болар еді. Қазіргі уақытта олардың тек мыңнан бір пайызы ғана сипатталған. Кейбір түрлердің архея жасушалары жинақталып, тікелей байланыс арқылы бір жасушадан екіншісіне ДНК-ны беруге қабілетті, әсіресе ДНК зақымдануына себеп болатын стрестік орта жағдайында.

Archaea are prokaryotic unicellular organisms, and form the first domain of life in Carl Woese's three domain system. A prokaryote is defined as having no cell nucleus or other membrane bound organelle. Archaea share this defining feature with the bacteria with which they were once grouped. In 1990 the microbiologist Woese proposed the three domain system that divided living things into bacteria, archaea and eukaryotes, and thereby split the prokaryote domain. Archaea differ from bacteria in both their genetics and biochemistry. For example, while bacterial cell membranes are made from phosphoglycerides with ester bonds, archaean membranes are made of ether lipids. Archaea were originally described as extremophiles living in extreme environments, such as hot springs, but have since been found in all types of habitats. Only now are scientists beginning to realize how common archaea are in the environment, with Thermoproteota (formerly Crenarchaeota) being the most common form of life in the ocean, dominating ecosystems below in depth. These organisms are also common in soil and play a vital role in ammonia oxidation. The combined domains of archaea and bacteria make up the most diverse and abundant group of organisms on Earth and inhabit practically all environments where the temperature is below +. They are found in water, soil, air, as the microbiome of an organism, hot springs and even deep beneath the Earth's crust in rocks. The number of prokaryotes is estimated to be around five nonillion, or 5 × 1030, accounting for at least half the biomass on Earth. The biodiversity of the prokaryotes is unknown, but may be very large. A May 2016 estimate, based on laws of scaling from known numbers of species against the size of organism, gives an estimate of perhaps 1 trillion species on the planet, of which most would be microorganisms. Currently, only one thousandth of one percent of that total have been described. Archael cells of some species aggregate and transfer DNA from one cell to another through direct contact, particularly under stressful environmental conditions that cause DNA damage.

Бактериялар

Археялар сияқты бактериялар да прокариоттар – бір жасушалы және жасуша ядросы немесе басқа мембранамен байланысқан органеллалары жоқ. Бактериялар микроскопиялық, тек өте сирек кездесетін ерекше жағдайларда, мысалы, Thiomargarita namibiensis сияқты, көзге көрінетіндей. Бактериялар жеке жасушалар ретінде қызмет етеді және көбейеді, бірақ олар көбінесе көпжасушалы колонияларда жиналады. Мыксобактериялар сияқты кейбір түрлер күрделі қозғалыс құрылымдарына бірігіп, өмірлік циклінің бөлігі ретінде көпжасушалы топтар ретінде жұмыс істейді немесе E. coli сияқты бактериялық колонияларда топтамалар құрай алады. Олардың геномы әдетте дөңгелек бактериялық хромосома – ДНК-ның бір тізбегі болып табылады, бірақ олар плазмидалар деп аталатын ДНК-ның кішкентай бөліктерін де қамти алады. Бұл плазмидалар бактериялық конъюгация арқылы жасушалар арасында беріле алады. Бактериялардың жасуша қабырғасы бар, ол олардың жасушаларына күш пен беріктік береді. Олар бинарлық бөліну арқылы немесе кейде бүршіклену арқылы көбейеді, бірақ мейоздық жыныстық көбеюге ұшырамайды. Дегенмен, көптеген бактерия түрлері табиғи трансформация деп аталатын көлденең гендік тасымалдау процесі арқылы жеке жасушалар арасында ДНК-ны тасымалдай алады. Кейбір түрлер өте төзімді споралар құрайды, бірақ бактериялар үшін бұл көбею емес, тірі қалу механизмі. Оңтайлы жағдайларда бактериялар өте жылдам өсе алады және олардың саны әр 20 минут сайын екі есеге дейін арта алады.

Эукариоттар

Ересек түрінде қалың көзбен көрінетін тірі организмдердің көпшілігі – эукариоттар, оның ішінде адам да бар. Дегенмен, көптеген эукариоттар микроорганизмдер болып табылады. Бактериялар мен археялардан өзгеше, эукариоттардың жасушаларында жасуша ядросы, Гольджи аппараты және митохондрия сияқты органеллалар бар. Ядро – жасуша геномын құрайтын ДНК-ны сақтайтын органелла. ДНК (дезоксирибонуклеин қышқылы) өзі күрделі хромосомалар түрінде ұйымдасқан. Митохондриялар – метаболизмде маңызды органеллалар, себебі олар лимон қышқылы циклы мен тотығу фосфориленуі орны болып табылады. Олар симбиоздық бактериялардан пайда болған және қалдық геномды сақтайды. Бактериялар сияқты, өсімдік жасушаларында да жасуша қабырғасы болады және басқа эукариоттардағы органеллалармен қатар хлоропласттар сияқты органеллалар бар. Хлоропластар фотосинтез арқылы жарықтан энергия өндіреді, және бұлар да бастапқыда симбиоздық бактериялар болған. Бір жасушалы эукариоттар жағдайлар қолайлы болғанда митоз арқылы көбейеді. Алайда, қоректік заттардың жетіспеуі және ДНК зақымдануы сияқты стрестік жағдайларда, олар мейоз және синггамия арқылы жыныстық көбейтуге бейім.

Протистер

Эукариоттық топтардың ішінде протистер көбінесе бір жасушалы және микроскопиялық болып келеді. Бұл өте алуан түрлі, жіктеуі қиын организмдер тобы. Кейбір балдырлар түрлері көп жасушалы протистер болып табылады, ал шырыш саңырауларында ерекше тіршілік циклдары бар, олар бір жасушалы, отарлы және көп жасушалы нысандар арасында ауысуды қамтиды. Протистердің түрлерінің саны белгісіз, себебі олардың шамалы бөлігі ғана анықталған. Протистердің түрлері мұхиттарда, терең теңіз жарықтарында, өзен шөгінділерінде және қышқыл өзендерде жоғары, бұл көптеген эукариотты микробиалды қоғамдастықтар әлі ашылмағанын көрсетеді.

Саңырауқұлақтар

Саңырауқұлақтардың бірнеше бір жасушалы түрлері бар, мысалы, нан пісіруші ашытқы (Saccharomyces cerevisiae) және жіктелген ашытқы (Schizosaccharomyces pombe). Кейбір саңырауқұлақтар, мысалы, патогенді Candida albicans ашытқысы, фенотиптік өзгеріске ұшырай алады және кейбір жағдайларда жеке жасушалар түрінде, ал басқаларында жіп тәрізді гифтер түрінде өседі.

Өсімдіктер

Жасыл балдырлар – көптеген микроскопиялық организмдерді қамтитын, фотосинтез жасайтын эукариоттардың ірі тобы. Кейбір жасыл балдырлар протисттерге жатса да, екіншілері, мысалы, харофиттер, құрлықтағы өсімдіктердің ең танымал тобы – эмбриофиттерге жатады. Балдырлар жеке жасуша ретінде немесе ұзын жасуша тізбегі түрінде өсе алады. Жасыл балдырларға бір жасушалы және отарлы флагелляттар кіреді, әдетте, бірақ әрқашан емес, әр жасушада екі флагеллясы болады, сондай-ақ түрлі отарлы, кокоидты және жіпшелі формалары бар. Шалалар – жоғары сапалы өсімдіктерге ең жақын балдырлар – оларда жасушалар организм ішінде бірнеше ерекше тіндерге дифференциалданады. Жасыл балдырлардың шамамен 6000 түрі бар.

Экология

Микроорганизмдер табиғаттағы дерлік барлық тіршілік орталарында кездеседі, оның ішінде Солтүстік және Оңтүстік полюстер, шөлдер, гейзерлер және тау жыныстары сияқты қиын жағдайлар да бар. Олар мұхиттар мен терең теңіздің барлық теңіз микроорганизмдерін де қамтиды. Микроорганизмдердің кейбір түрлері экстремалды ортаға бейімделіп, тұрақты колониялар құрады; осы организмдер экстремофилдер деп аталады. Экстремофилдер Жер бетінен 7 километрге дейін тереңдікте орналасқан тау жыныстарынан табылды, және Жер бетінің астында тіршілік ететін организмдердің саны, Жер бетінде немесе одан жоғарыда тіршілік ететін организмдердің санымен шамалас деген болжам бар. Микроорганизмдердің көптеген түрлері басқа, ірі организмдермен тығыз симбиотикалық қарым-қатынаста болады; олардың кейбіреулері өзара пайдалы (мутуализм), ал басқалары иесіне зиян келтіруі мүмкін (паразитизм). Егер микроорганизмдер иесінде ауру тудыра алса, олар патогендер деп аталады, кейде оларды микробалар деп те атайды. Микроорганизмдер Жердің биогеохимиялық циклдерінде маңызды рөл атқарады, себебі олар ыдырау және азотты бекіту процесіне жауапты. Бактериялар жер бетіндегі барлық қоршаған ортаға бейімделуге мүмкіндік беретін реттеуші желілерді пайдаланады. Бактериялар гендік экспрессияны реттеу үшін ДНК, РНК, ақуыздар және метаболиттерді қоса алғанда, әртүрлі молекулалар арасындағы өзара әрекеттесу желісін қолданады. Бактериялардағы реттеуші желілердің басты функциясы – қоршаған ортаның өзгеруіне, мысалы, қоректік заттардың жағдайына және қоршаған ортаның стрессіне жауап беруді бақылау болып табылады. Желілердің күрделі ұйымдастырылуы микроорганизмге көптеген қоршаған орта сигналдарын үйлестіруге және біріктіруге мүмкіндік береді. Мысалы, Halobacterium salinarum (архея) сияқты галофилдер, қанығуға дейін жоғары тұздылық жағдайында өркендейді. Алкалифилдер шамамен 8.5–11 pH-тағы сілтілік ортада жақсы өседі. Ацидофилдер 2.0 pH немесе одан төмен pH-та өркендей алады. Пьезофилдер өте жоғары қысымда өркендейді: 1000–2000 атм-ға дейін, тіпті 0 атм-ға дейін, ғарыш вакуумында. Кейбір экстремофилдер, мысалы Deinococcus radiodurans, 5k Gy-ға дейін сәулеленуге төзімді. Экстремофилдердің маңызы зор. Олар Жердегі тіршілікті Жердің гидросферасының, қыртысының және атмосферасының көп бөлігіне дейін кеңейтеді, олардың экстремалды ортаға бейімделуінің ерекше эволюциялық механизмдерін биотехнологияда қолдануға болады, және олардың мұндай экстремалды жағдайларда өмір сүруі ғарыштағы тіршілік мүмкіндігін арттырады.

Microorganisms are found in almost every habitat present in nature, including hostile environments such as the North and South poles, deserts, geysers, and rocks. They also include all the marine microorganisms of the oceans and deep sea. Some types of microorganisms have adapted to extreme environments and sustained colonies; these organisms are known as extremophiles. Extremophiles have been isolated from rocks as much as 7 kilometres below the Earth's surface, and it has been suggested that the amount of organisms living below the Earth's surface is comparable with the amount of life on or above the surface. Many types of microorganisms have intimate symbiotic relationships with other larger organisms; some of which are mutually beneficial (mutualism), while others can be damaging to the host organism (parasitism). If microorganisms can cause disease in a host they are known as pathogens and then they are sometimes referred to as microbes. Microorganisms play critical roles in Earth's biogeochemical cycles as they are responsible for decomposition and nitrogen fixation. Bacteria use regulatory networks that allow them to adapt to almost every environmental niche on earth. A network of interactions among diverse types of molecules including DNA, RNA, proteins and metabolites, is utilised by the bacteria to achieve regulation of gene expression. In bacteria, the principal function of regulatory networks is to control the response to environmental changes, for example nutritional status and environmental stress. A complex organization of networks permits the microorganism to coordinate and integrate multiple environmental signals. as low as Halophiles such as Halobacterium salinarum (an archaean) thrive in high salt conditions, up to saturation. Alkaliphiles thrive in an alkaline pH of about 8.5–11. Acidophiles can thrive in a pH of 2.0 or less. Piezophiles thrive at very high pressures: up to 1,000–2,000 atm, down to 0 atm as in a vacuum of space. A few extremophiles such as Deinococcus radiodurans are radioresistant, resisting radiation exposure of up to 5k Gy. Extremophiles are significant in different ways. They extend terrestrial life into much of the Earth's hydrosphere, crust and atmosphere, their specific evolutionary adaptation mechanisms to their extreme environment can be exploited in biotechnology, and their very existence under such extreme conditions increases the potential for extraterrestrial life.

Өсімдіктер мен топырақ

Топырақтағы азот циклы атмосфералық азоттың бекітілуіне байланысты. Бұл бірнеше диазотрофтар арқылы жүзеге асады. Мұның бір жолы – бұл Rhizobium, Mesorhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium және Azorhizobium туыстас симбиотикалық бактерияларды қамтитын бұршақ тұқымдас өсімдіктердің тамыр түйіндерінде болуы мүмкін. Өсімдіктердің тамырлары ризосфера деп аталатын тар аймақты құрайды, ол тамыр микробиомы деп аталатын көптеген микроорганизмдерді қолдайды. Бұл микроорганизмдер тамыр микробиомында сигналдар мен белгілер арқылы бір-бірімен және айналасындағы өсімдіктермен өзара әрекеттесе алады. Мысалы, микоризалық саңырауқұлақтар өсімдіктердің тамыр жүйесімен өсімдік пен саңырауқұлақ арасындағы химиялық сигналдар арқылы байланыса алады. Бұл екеуінің арасындағы өзара тиімді симбиозға әкеледі. Дегенмен, бұл сигналдарды басқа микроорганизмдер, мысалы, басқа бактериялармен қоректенетін топырақ бактериясы Myxococcus xanthus «ұғып» алады. «Ұғып алу», яғни өсімдіктер мен микроорганизмдер сияқты көзделмеген қабылдағыштардан сигналдарды ұрлау, эволюциялық тұрғыдан үлкен салдарын тудыруы мүмкін. Мысалы, өсімдік-микроорганизм жұптары сияқты сигнал беруші-қабылдағыш жұптары, тыңдаушылардың өзгеруіне байланысты көршілес популяциялармен байланыс жасау қабілетін жоғалтуы мүмкін. Жергілікті тыңдаушылардан қашуға бейімделу кезінде сигналдардың ауытқуы мүмкін, соның салдарынан өсімдіктер мен микроорганизмдер басқа популяциялармен байланыс жасай алмай оқшауланып қалуы мүмкін.

Симбиоз

Лихен – макроскопиялық саңырауқұлақтың фотосинтезге қабілетті микробтық балдырлар немесе цианобактериялармен симбиозы.

Қолданбалар

Микроорганизмдер азық-түлік өндірісінде, сарқынды суларды тазалауда, биоотын және кең ауқымды химиялық заттар мен ферменттер жасауда пайдалы. Олар зерттеулерде үлгілік организмдер ретінде құнды. Олар қару ретінде қолданылған, кейде соғыстарда және биотерроризмде пайдаланылған. Олар топырақтың құнарлылығын сақтау және органикалық заттарды ыдырату арқылы ауыл шаруашылығы үшін маңызды.

Тамақ өндірісі

Микроорганизмдер ашыту процесінде йогурт, ірімшік, айран, кефир, қымыз, шұбат және басқа да тағам түрлерін жасау үшін қолданылады. Ферментациялық культуралар дәм мен хош иісті қамтамасыз етеді және немесе қажетсіз организмдердің өсуін тежейді. Олар нан пісіру үшін, сондай-ақ шарап пен сырадағы қантты спиртке айналдыру үшін қолданылады. Микроорганизмдер сыра қайнату, шарап жасау, нан пісіру, консервілеу және басқа да тағам өндірісінде пайдаланылады.

Микроорганизмдердің өндірістегі рөлі:

Ірімшік: Микроорганизмдердің өсуі пісіп-жетілуіне және дәмді қалыптастыруға көмектеседі. Нақты бір ірімшіктің дәмі мен сыртқы түрі көбінесе оған байланысты микроорганизмдерге байланысты болады. Lactobacillus Bulgaricus – сүт өнімдерін өндіруде қолданылатын микробтардың бірі.

Алкогольді сусындар: Ашытқы қантты, жүзім шырынын немесе дәнді спиртке айналдырады. Басқа микроорганизмдер де қолданылуы мүмкін; мысалы, сахаромицеттер (көбелектер) қышқылды қантқа айналдырып, жапон күріш шарабын – саке жасауға көмектеседі.

Ацетобактер Ацети: Бұл бактерия алкогольді сусындар мен сірке су өндірісінде қолданылады.

Сірке су: Кейбір бактериялар спиртті сірке қышқылына айналдырады, осының арқасында сірке су қышқыл дәмге ие болады. Ацетобактер Ацети сірке су өндірісінде қолданылады, бұл сірке суға спирттің иісі мен алкогольдік дәм береді.

Лимон қышқылы: Кейбір саңырауқұлақтар лимон қышқылын жасау үшін қолданылады, ол газдалған сусындар мен басқа да тағамдардың құрамына кіреді.

Витаминдер: Микроорганизмдер С, В2, В12 витаминдерін өндіру үшін қолданылады.

Антибиотиктер: Көптеген антибиотиктерді өндіру үшін микроорганизмдер қолданылады. Пенициллин, амоксициллин, тетрациклин және эритромицин – олардың қатарында.