Микроорганизмы

Микроорганизмы (микробы) — мельчайшие организмы, различимые только под микроскопом. Они были открыты в XVII веке Антони ван Левенгуком. К микроорганизмам относятся представители разных царств органического мира:

Прокариоты: бактерии (включая цианобактерии, или сине-зелёные водоросли) и археи (архебактерии).
Эукариоты: микроскопические грибы, водоросли и простейшие.

Иногда к этой группе условно относят и вирусы. Микроскопические размеры микроорганизмов требуют применения специальных методов для их выделения (в виде чистых культур), культивирования и изучения, что и составляет предмет науки микробиологии.

Большинство микроорганизмов — одноклеточные организмы. Для них характерны:

Высокая скорость роста и размножения, часто путём простого деления клетки.
Отсутствие сложного полового процесса, свойственного многоклеточным организмам (у многих видов).
Чрезвычайное разнообразие физиологических и биохимических свойств.

Многие микроорганизмы способны существовать в экстремальных условиях, непригодных для жизни других организмов. Они могут расти:

При очень высоких температурах — от 70 до 105 °C.
В условиях повышенного уровня радиации.
В сильнокислой (pH менее 1,0) или сильнощелочной (pH 9,0 и выше) среде.
При высокой концентрации солей (например, 25–30% NaCl).
В полном отсутствии кислорода (анаэробные условия).
Переносить глубокое замораживание, высушивание и другие экстремальные воздействия.

По способу питания микроорганизмы также крайне разнообразны:

Автотрофы (как и высшие растения) способны синтезировать все органические вещества клетки из углекислого газа (CO₂). Они получают энергию либо от света (фотоавтотрофы, например, цианобактерии), либо от окисления неорганических соединений (хемолитотрофы, например, нитрифицирующие бактерии).
Гетеротрофы нуждаются в готовых органических веществах для получения энергии и построения клетки (хемоорганогетеротрофы). Среди них есть виды, способные разлагать сложнейшие природные соединения (целлюлозу, белки, углеводороды) и даже синтетические вещества (ксенобиотики). Некоторые гетеротрофы (например, молочнокислые бактерии, многие простейшие) являются ауксотрофами — они не могут синтезировать определённые витамины или аминокислоты и должны получать их извне.

Роль в природе и значение для человека

Микроорганизмы повсеместно распространены в почве, воде и воздухе и играют фундаментальную роль в биосфере:

Обеспечивают круговорот веществ, минерализуя органические остатки и возвращая в атмосферу CO₂, а в почву — биогенные элементы (азот, фосфор, серу).
Участвуют в фиксации атмосферного азота (азотфиксация), что обогащает почву доступными для растений формами азота.
Участвуют в разрушении горных пород, почвообразовании и формировании некоторых месторождений полезных ископаемых (например, серы и сульфидов).

Практическое значение микроорганизмов огромно и разнообразно. Они используются:

В промышленности и сельском хозяйстве: производство антибиотиков, витаминов, ферментов, молочнокислых продуктов, хлеба, вина, кормового белка, силоса; биологическая защита растений.
В биотехнологиях: очистка сточных вод, выщелачивание металлов (меди, урана) из бедных руд (биодобыча), получение биогаза (метана).

Однако некоторые микроорганизмы являются патогенами для человека, животных и растений. Их деятельность может приводить к порче продуктов и кормов, коррозии металлов, разрушению строительных материалов, обеднению почв и загрязнению водоёмов.

Благодаря простой организации, высокой скорости размножения и огромному биохимическому разнообразию микроорганизмы стали ключевыми объектами биологических исследований. Их изучение привело к открытию фундаментальных закономерностей жизни и заложило основы современной молекулярной биологии, генетики и биотехнологии.

Современный контекст

С развитием методов молекулярной биологии и секвенирования (например, метагеномики) наше понимание мира микроорганизмов радикально изменилось. Стало ясно, что микробное разнообразие на планете на порядки превышает ранее известное. Большинство микроорганизмов до сих пор не культивируются в лабораториях и известны только по своим генетическим последовательностям. Современная классификация, основанная на анализе рибосомальной РНК, разделила прокариот на два фундаментально разных домена: Бактерии (Bacteria) и Археи (Archaea), причём последние во многом ближе к эукариотам, чем к бактериям. Изучение микробиомов (сообществ микроорганизмов) человека, животных, растений и почвы открыло их критическую роль для здоровья, питания и функционирования экосистем. Сегодня микроорганизмы рассматриваются не только как отдельные виды, но и как сложные экологические сети, определяющие жизнь на Земле.