Развитие микробных сообществ в истории Земли

Вятский государственный  университет 

Биологический факультет 

Кафедра  микробиологии 
 
 
 
 

Курсовая  работа по дисциплине

«Экология микроорганизмов»    

Отчет

РАЗВИТИЕ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

 
 
 
 
 
 
 

     Разработала студентка гр. МБ-31   ________________  /Филатьева А.А./

                                              (подпись)

     Руководитель к.б.н., доцент                 ________________  /Гаврилов К.Е./

                                                  (подпись)

     Работа защищена  с оценкой  «__________» «___» _______2011 г. 

     Члены комиссии: к.б.н., доцент  ________________ /Гаврилов К.Е./

                                           (подпись)

                                    ________________ / ____________

                                          (подпись)

     Киров 2011

РЕФЕРАТ

 

    Филатьева А.А. Развитие микробных сообществ в истории Земли. Вятский государственный университет. Отчет: Курс. работа / ВятГУ, каф. микробиологии; рук. К.Е. Гаврилов. - Киров, 2011. Отчет 36 с., 11 рис., 2 табл., 9  источников. 

      МИКРОБНОЕ СООБЩЕСТВО, АССОЦИАЦИИ, ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНЫЕ МАТЫ, БИОСФЕРА, СИНМОРФОЛОГИЯ СООБЩЕСТВ, БИОТА, СТРОМАТОЛИТЫ, ОНКОЛИТЫ, МИКРОФОССИЛИИ, ТРОФИЧЕСКИЕ ОТНОШЕНИЯ. 

    Объект  исследования – микробные сообщества.

    Цель  курсовой работы – рассмотреть формирование и эволюцию микробных сообществ в истории Земли, ознакомиться с основной ролью микробного мира в создании биосферы.

     Метод проведения работы – изучение имеющейся литературы  и выполнение лабораторной работы по выявлению и количественному учету микроорганизмов различных сообществ.

         В курсовой работе рассматриваются вопросы эволюции микробных сообществ, их трофических и топических отношений, участие в круговороте вещества и энергии и роли в глобальных изменениях на Земле. 
 

 

     СОДЕРЖАНИЕ 

Введение……………………………………………………………………….....5

Определения, обозначения, сокращения……………………………………….7

1. Микробное сообщество ………………………………………………………8

1.2 Примеры  микробных сообществ……………………………………………9

2. Строматолиты…………………………………………………………………10

2.1 Циано-бактериальные  маты………………………………………………...11

2.2 Строение  циано-бактериального мата……………………………………..12

2.3 Онколиты…………………………………………………………………….13

3. Эволюция  микробных сообществ……………………………………………14

3.1 Этапы  биологической эволюции……………………………………………15

4. Синморфология  сообществ…………………………………………………..17

5. Масштаб биосферных изменений……...…………………………………….19

6. Трофические  связи в прокариотном сообществе…………………………...19

7. Роль  микробных сообществ в глобальных изменениях………………….25

8. Отчет по практической части курсовой работы…………………………… 28

9. Заключение……………………………………………………………………34

10. Список использованных источников…………………………………..…..36 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ 

     В настоящем отчете применяю следующие  обозначения и сокращения:

    НГП – неттогеосферная продукция

    МПА – мясопептонный агар

    млн. – миллион

    млрд. – миллиард. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

        Эмпирическим фактом является то обстоятельство, что первичная биосфера Земли была сформирована прокариотами, или в тривиальном словоупотреблении - бактериями. Формирование мира наземных растений относится к силуру примерно 420 млн. лет назад, а мира многоклеточных животных - к венду около 600 млн. лет назад. Все эти сложные и разнообразные живые существа смогли существовать лишь в уже сложившейся биосфере.

Микропалеонтология  дает последовательную картину развития мира микроскопических существ примерно с 1,5 млрд. лет назад (рис.1), когда появились относительно крупные протисты и биосфера была в общем сходна с современной, хотя еще не было ни растительного покрова на суше, ни организмов со скелетом, сменившим мягкотелых животных венда в кембрии.

         Еще более ранние этапы относятся к эпохе существования только прокариот, которые были первыми обитателями Земли. Выживали наиболее приспособленные и, следовательно, эволюция шла в направлении все большей приспособляемости (рис. 2). Все остальные организмы не могли противоречить этой системе и удерживались только в том случае, если согласовывались с ней.

Вопрос состоит  в том, как микробный мир создал биосферу, каковы временные рамки ведущих процессов, как формировались сами микробные сообщества в истории развитии Земли. Поэтому эта работа направлена на подробное рассмотрение этих аспектов.

  Используемые в данной работе подходы к изучению микробных сообществ можно использовать для проведения экологического мониторинга состояния экосистем в зависимости от минеральной компоненты и количественного содержания в них микроорганизмов.

    Цель моего курсового проекта - рассмотреть формирование и эволюцию микробных сообществ в истории Земли, ознакомиться с основной ролью микробного мира в создании биосферы.

    Для выполнения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Выяснить, кто был общим предком всего живого;
2. Выделить этапы эволюции микробных сообществ;
3. Изучить строение циано-бактериального мата;
4. Рассмотреть трофические связи в микробном сообществе;
5. Определить роль микробных сообществ в глобальных изменениях.

 
 

 

     1. МИКРОБНОЕ СООБЩЕСТВО

    Центральным понятием в эволюции живого мира оказывается  понятие устойчивого сообщества, под которым подразумевается  сообщество, способное существовать неопределенно долго за счет поступающей  извне энергии, солнечной или химической. Устойчивое сообщество не имеет внутренних причин для остановки своей деятельности, хотя оно и развивается и имеет сукцессию форм. Условием устойчивости сообщества является замкнутость циклов биогенных элементов. Таким образом, в каждом сообществе формируется трофическая сеть, представленная уравновешенными ветвями продуцентов и деструкторов. Требование материального и энергетического баланса допускает возможность теоретического анализа устойчивости сообщества. Вместе с тем такой подход составляет суть экологии и поэтому возникающее представление об эволюции можно назвать экологическим. [1]

    Такое устойчивое сообщество образует трофическую систему из функционально разнородных элементов. Поэтому оно принципиально не может эволюционировать путем дивергенции — накопления малых изменений, закрепляемых конкуренцией и естественным отбором. Формирование сообществ происходит путем сборки, комбинирования компонентов в вакантные экологические ниши.

    Отдельные виды не могут сколько-нибудь длительно существовать вне сообщества, так как не образуют устойчивую систему. Требование устойчивости приложимо на всех этапах существования сообществ, в том числе и на самых ранних этапах эволюции в протерозое и архее. Следовательно, устойчивость должна быть в полной мере присуща сообществу прокариотных организмов. Поскольку устойчивость свойственна изначальному прасообществу, то дальнейшая эволюция может идти только таким образом, чтобы эту устойчивость не нарушить. Если формирование cooбщества происходит аддитивно, то возможная субституция вследствие появления новых форм не должна на время, превосходящее переходный период, нарушать сбалансированность системы. Иначе говоря, эволюция органического мира должна быть согласована с экосистемой, сформированной бактериями, т. е. бактериальный «базис» остается постоянным, а изменения происходят в «надстройке», влияющей на базис лишь опосредованно.

    Устойчивость  сообществ предполагает отсутствие необратимых изменений, которые могли бы служить геологическими свидетельствами деятельности сообществ. Особенно это относится к биогенным элементам, из которых все, кроме фосфора, имеют воздушную форму миграции. С циклами биогенных элементов, однако, сопряжены превращения минералов породообразующих элементов, и при этом возможно сохранение морфологии сообществ или же образование таких минералов с устойчивыми признаками биогенного происхождения, как ферригидрит или магнетосомы. Большой круговорот элементов в биосфере осуществляется посредством малых круговоротов в сообществах, «колеса в колесах». Для биосферы требование устойчивости особенно строго, и ее нельзя представлять как набор последовательно исчерпываемых резервуаров. Движение по траектории физико-химической тенденции осуществляется вследствие неполной замкнутости циклов.[2]

    1.2 Примеры микробных  сообществ

    Микробные сообщества существуют в разных условиях и в зависимости от этого сильно различаются. Тем не менее трофические  взаимоотношения между разными  группировками микроорганизмов  сходны в общих чертах.

    В планктонном сообществе организмы развиваются одиночно или в небольших агрегатах. В ископаемое состояние они переходят в виде донных осадков или береговых штормовых выбросов, где особенно благоприятны условия захоронения. Но эти тафоценозы не отражают пространственной структуры сообщества в естественном состоянии.

    Сообщества  почвенных микроорганизмов, особенно внимательно изучаемые экологами микроорганизмов, вероятно, не переходят в ископаемое состояние. Несколько больше возможности изучения деятельности микроорганизмов, выщелачивающих горные породы, по характерным следам выщелачивания особенно в областях вулканизма. Однако пока, по-видимому, не приходится рассчитывать на большее, чем сам факт установления существования таких сообществ в прошлом.

    Наиболее  высока вероятность сохранения бентосных сообществ. В современной литературе фитобентос часто называют альго- или циано-бактериальньм матом. Такое словоупотребление, заимствованное из англоязычной литературы для замены вполне точного термина «фитобентос» не представляется оправданным. Слово «мат» лучше сохранить для определенного типа цианобактериальных сообществ, которые погружены в общую достаточно плотную слизь. Далее внимание будет сосредоточено на циано-бактериальном мате, хорошо сохраняющемся, но отнюдь не единственном типе микробных сообществ.[3]

2. СТРОМАТОЛИТЫ

         Для докембрийских осадочных толщ чрезвычайно характерны строматолиты (по-гречески - "каменный ковер") - тонкослойчатые колонны или холмики, состоящие главным образом из карбоната кальция (рис. 3, а и б). Эти структуры известны еще с середины прошлого века, однако их происхождение оставалось совершенно неясным до тридцатых годов, когда было сделано одно из замечательнейших открытий нашего века в области классической (т.е. не молекулярной) биологии. На литорали залива Шарк-Бэй в западной Австралии и на атлантическом побережье Багамских островов были найдены небольшие рифовые постройки неизвестного ранее типа - плосковершинные известковые "бочки" диаметром 1-1,5 м (рис. 3, в) и располагающиеся ниже уровня отлива слоистые корки; все это при внимательном рассмотрении оказалось современными строматолитами. Выяснилось, что строматолит образуется в результате жизнедеятельности совершенно ни на что не похожего прокариотного сообщества, назвываемого циано-бактериальным матом. Маты существуют во многих районах мира, главным образом - в гипергалинных (пересоленных) лагунах.[2]

2.1 Циано-бактериальные  маты

      Циано-бактериальные  маты представляют автономное сообщество, где присутствует продукционная  ветвь углеродного цикла, осуществляемая цианобактериями, и деструкционная ветвь, осуществляемая разными бактериями. Чтобы обозначить гетерогенность этого сообщества, его было предложено писать через дефис – «циано- бактериальное».