Deși oamenii au folosit drojdii și ciuperci încă din timpuri preistorice, până de curând, biologia ciupercilor a fost slab înțeleasă. Până la mijlocul secolului al XX-lea, mulți oameni de știință au clasificat ciupercile ca plante. Ciupercile, ca și plantele, au apărut în cea mai mare parte sesile și aparent înrădăcinate pe loc. Au o structură asemănătoare tulpinilor asemănătoare plantelor, precum și un miceliu fungic asemănător rădăcinii în sol. În plus, modul lor de nutriție a fost prost înțeles. Progresele în domeniul biologiei fungice au fost rezultatul micologiei: studiul științific al ciupercilor. Pe baza dovezilor fosile, ciupercile au apărut în era pre-cambriană, acum aproximativ 450 de milioane de ani. Analiza biologiei moleculare a genomului fungic demonstrează că ciupercile sunt mai strâns legate de animale decât de plante. Sunt un grup polifiletic de organisme care împărtășesc caracteristici, mai degrabă decât împărtășesc un singur strămoș comun.

Conexiune în carieră

Micolog

Micologii sunt biologi care studiază ciuperci. Micologia este o ramură a microbiologiei, iar mulți micologi își încep cariera cu o diplomă în microbiologie. Pentru a deveni micolog, sunt minim necesare o diplomă de licență în științe biologice (de preferință specializată în microbiologie) și un masterat în micologie. Micologii se pot specializa în taxonomie și genomică fungică, biologie moleculară și celulară, patologia plantelor, biotehnologie sau biochimie. Unii microbiologi medicali se concentrează asupra studiului bolilor infecțioase cauzate de ciuperci (micoze). Micologii colaborează cu zoologii și patologii plantelor pentru a identifica și controla infecțiile fungice dificile, cum ar fi pustiul devastator al castanului, declinul misterios al populațiilor de broaște din multe zone ale lumii sau epidemia mortală numită sindromul nasului alb, care decimează liliecii în Estul Statelor Unite.

Agențiile guvernamentale angajează micologi ca cercetători și tehnicieni pentru a monitoriza sănătatea culturilor, a parcurilor naționale și a pădurilor naționale. Micologii sunt angajați și în sectorul privat de companiile care dezvoltă produse de control chimic și biologic sau de produse agricole noi și de companiile care furnizează servicii de combatere a bolilor. Datorită rolului cheie jucat de ciuperci în fermentarea alcoolului și prepararea multor alimente importante, oamenii de știință cu o bună înțelegere a fiziologiei fungice lucrează în mod obișnuit în industria tehnologiei alimentare. Enologia, știința vinificației, se bazează nu numai pe cunoașterea soiurilor de struguri și a compoziției solului, ci și pe o înțelegere solidă a caracteristicilor drojdiilor sălbatice care prosperă în diferite regiuni vitivinicole. Este posibil să achiziționați tulpini de drojdie izolate din regiuni specifice de creștere a strugurilor. Marele chimist și microbiolog francez, Louis Pasteur, a făcut multe dintre descoperirile sale esențiale lucrând la umila drojdie de bere, descoperind astfel procesul de fermentare.

Structura și funcția celulei

Ciupercile sunt eucariote și, ca atare, au o organizare celulară complexă. Ca eucariote, celulele fungice conțin un nucleu legat de membrană. ADN-ul din nucleu este înfășurat în jurul proteinelor histonice, așa cum se observă în alte celule eucariote. Câteva tipuri de ciuperci au structuri comparabile cu plasmidele bacteriene (bucle de ADN); cu toate acestea, transferul orizontal al informațiilor genetice de la o bacterie matură la alta are loc rar la ciuperci. Celulele fungice conțin, de asemenea, mitocondrii și un sistem complex de membrane interne, inclusiv reticulul endoplasmatic și aparatul Golgi.

Care sunt

Figura 1. Amanita muscaria otrăvitoare este originară din regiunile temperate și boreale din America de Nord. (credit: Christine Majul)

Spre deosebire de celulele vegetale, celulele fungice nu au cloroplaste sau clorofilă. Multe ciuperci prezintă culori strălucitoare provenite din alți pigmenți celulari, variind de la roșu la verde până la negru. Amanita muscaria otrăvitoare (fly agaric) este recunoscută prin capacul său roșu aprins cu pete albe (Figura 1). Pigmenții din ciuperci sunt asociați cu peretele celular și joacă un rol protector împotriva radiațiilor ultraviolete. Unii pigmenți fungici sunt toxici.

La fel ca celulele vegetale, celulele fungice au un perete celular gros. Straturile rigide ale pereților celulari fungici conțin polizaharide complexe numite chitină și glucani. Chitina, găsită și în exoscheletul insectelor, conferă rezistență structurală pereților celulari ai ciupercilor. Peretele protejează celula de desicare și de prădători. Ciupercile au membrane plasmatice similare cu alte eucariote, cu excepția faptului că structura este stabilizată de ergosterol: o moleculă de steroizi care înlocuiește colesterolul găsit în membranele celulare animale. Cei mai mulți membri ai regatului Ciuperci sunt nemotivi. Flagelele sunt produse numai de gametii din primitivul Phylum Chytridiomycota.

Creştere

Figura 2. Candida albicans. (credit: modificare a lucrării de către Dr. Godon Roberstad, CDC; date de la barele la scară de la Matt Russell)

Corpul vegetativ al unei ciuperci este un talus unicelular sau multicelular. Ciupercile dimorfe se pot schimba de la starea unicelulară la cea multicelulară în funcție de condițiile de mediu. Ciupercile unicelulare sunt denumite în general drojdii. Saccharomyces cerevisiae (drojdie de brutar) și speciile Candida (agenții aftei, o infecție fungică obișnuită) sunt exemple de ciuperci unicelulare (Figura 2). Canadida albicans este o celulă de drojdie și agentul candidozei și afte și are o morfologie similară cu a bacteriilor coccus; cu toate acestea, drojdia este un organism eucariot (notați nucleul).

Majoritatea ciupercilor sunt organisme multicelulare. Ele prezintă două etape morfologice distincte: vegetativ și reproductiv. Stadiul vegetativ constă dintr-o încurcătură de structuri subțiri asemănătoare firelor numite hife (singular, hifă), în timp ce stadiul de reproducere poate fi mai vizibil. Masa hifelor este un miceliu (Figura 3).

Figura 3. Miceliul ciupercii Neotestudina rosati poate fi patogen pentru om. Ciuperca intră printr-o tăietură sau o răzuire și dezvoltă un micetom, o infecție subcutanată cronică. (credit: CDC)

Poate crește pe o suprafață, în sol sau material în descompunere, într-un lichid sau chiar pe țesut viu. Deși hifele individuale trebuie observate la microscop, miceliul unei ciuperci poate fi foarte mare, unele specii fiind cu adevărat „ciuperca urâtă”. Gigantul Armillaria solidipes (ciuperca de miere) este considerat cel mai mare organism de pe Pământ, răspândindu-se pe mai mult de 2.000 de acri de sol subteran din estul Oregonului; se estimează că are cel puțin 2.400 de ani.

Majoritatea hifelor fungice sunt împărțite în celule separate prin pereți finali numiți septuri (singular, sept) (Figura 4a, c). În majoritatea filurilor de ciuperci, găurile mici din septuri permit fluxul rapid de substanțe nutritive și molecule mici de la celulă la celulă de-a lungul hifei. Sunt descrise ca sept perforate. Hifele din matrițele de pâine (care aparțin Phylum Zygomycota) nu sunt separate prin septuri. În schimb, acestea sunt formate din celule mari care conțin mulți nuclei, un aranjament descris ca hife coenocitice (Figura 4b).

Figura 4. Hifele fungice pot fi (a) septate sau (b) coenocitice (coeno- = „comune”; -citice = „celulare”) cu mulți nuclei prezenți într-o singură hifă. O micrografie cu câmp luminos a (c) Phialophora richardsiae prezintă septuri care împart hifele. (credit c: modificarea muncii de către Dr. Lucille Georg, CDC; date cu bare de scară de la Matt Russell)

Ciupercile prosperă în medii umede și ușor acide și pot crește cu sau fără lumină. Acestea variază în ceea ce privește necesarul de oxigen. Majoritatea ciupercilor sunt aerobi obligați, necesitând oxigen pentru a supraviețui. Alte specii, cum ar fi Chytridiomycota care locuiesc în rumenul vitelor, sunt anaerobe obligatorii, în sensul că utilizează doar respirația anaerobă, deoarece oxigenul le va perturba metabolismul sau le va ucide. Drojdiile sunt intermediare, fiind anaerobe faculative. Aceasta înseamnă că acestea cresc cel mai bine în prezența oxigenului folosind respirația aerobă, dar pot supraviețui folosind respirația anaerobă atunci când oxigenul nu este disponibil. Alcoolul produs din fermentarea drojdiei este utilizat în producția de vin și bere.

Nutriție

La fel ca animalele, ciupercile sunt heterotrofe; ei folosesc compuși organici complecși ca sursă de carbon, mai degrabă decât să fixeze dioxidul de carbon din atmosferă în ceea ce privește unele bacterii și majoritatea plantelor. În plus, ciupercile nu fixează azotul din atmosferă. La fel ca animalele, trebuie să o obțină din dieta lor. Cu toate acestea, spre deosebire de majoritatea animalelor, care ingeră hrană și apoi o digeră intern în organe specializate, ciupercile efectuează acești pași în ordine inversă; digestia precede ingestia. În primul rând, exoenzimele sunt transportate în afara hifelor, unde procesează substanțele nutritive din mediu. Apoi, moleculele mai mici produse de această digestie externă sunt absorbite prin suprafața mare a miceliului. Ca și în cazul celulelor animale, polizaharida de stocare este glicogen, mai degrabă decât amidon, așa cum se găsește în plante.

Ciupercile sunt în principal saprobi (saprofitul este un termen echivalent): organisme care obțin nutrienți din materia organică în descompunere. Aceștia își obțin nutrienții din materie organică moartă sau în descompunere: în principal material vegetal. Exoenzimele fungice sunt capabile să descompună polizaharidele insolubile, cum ar fi celuloza și lignina lemnului mort, în molecule de glucoză ușor absorbabile. Carbonul, azotul și alte elemente sunt astfel eliberate în mediu. Datorită căilor metabolice variate, ciupercile îndeplinesc un rol ecologic important și sunt investite ca instrumente potențiale în bioremediere. De exemplu, unele specii de ciuperci pot fi utilizate pentru a descompune motorina și hidrocarburile aromatice policiclice (HAP). Alte specii absorb metale grele, precum cadmiul și plumbul.

Unele ciuperci sunt parazite, infectând fie plante, fie animale. Smut și boala olmului olandez afectează plantele, în timp ce piciorul atletului și candidozele (afte) sunt infecții fungice importante din punct de vedere medical la om. În mediile sărace în azot, unele ciuperci recurg la prădarea nematodelor (viermi rotunzi nesegmentați mici). Speciile de ciuperci Arthrobotrys au o serie de mecanisme pentru a prinde nematodele. Un mecanism implică constrângerea inelelor în rețeaua de hife. Inelele se umflă când ating nematodul, prinzându-l strâns. Ciuperca pătrunde în țesutul viermelui prin extinderea unor hife specializate numite haustoria. Multe ciuperci parazite posedă haustorie, deoarece aceste structuri pătrund în țesuturile gazdei, eliberează enzime digestive în corpul gazdei și absorb nutrienții digerați.

Reproducere

Figura 5. (a) ciuperca gigantică cu bile de puf eliberează (b) un nor de spori când ajunge la maturitate. (credit a: modificare a lucrării de Roger Griffith; credit b: modificare a lucrării de Pearson Scott Foresman, donat Fundației Wikimedia)

Ciupercile se reproduc sexual și/sau asexual. Ciupercile perfecte se reproduc atât sexual, cât și asexual, în timp ce ciupercile imperfecte se reproduc doar asexual (prin mitoză).

Atât în ​​reproducerea sexuală, cât și în cea asexuată, ciupercile produc spori care se dispersează de organismul părinte, fie prin plutirea pe vânt, fie prin prinderea unui animal. Sporii fungici sunt mai mici și mai ușori decât semințele plantelor. Ciupercile uriașe de puffball se deschid și eliberează trilioane de spori. Numărul uriaș de spori eliberați crește probabilitatea de a ateriza într-un mediu care va sprijini creșterea (Figura 5).

Reproducere asexuată

Figura 6. Celulele întunecate din această micrografie cu lumină de câmp strălucitor sunt drojdia patogenă Histoplasma capsulatum, văzută pe un fundal de țesut albastru deschis. (credit: modificare a muncii de către Dr. Libero Ajello, CDC; date cu bare de scară de la Matt Russell)

Ciupercile se reproduc asexual prin fragmentare, înmugurire sau producerea de spori. Fragmente de hife pot crea noi colonii. Celulele somatice din drojdie formează muguri. În timpul înmuguririi (un tip de citokineză), se formează o umflătură pe latura celulei, nucleul se împarte mitotic, iar mugurele se detașează în cele din urmă de celula mamă. Histoplasma (Figura 6) infectează în principal plămânii, dar se poate răspândi în alte țesuturi, provocând histoplasmoza, o boală potențial fatală.

Cel mai comun mod de reproducere asexuată este prin formarea de spori asexuali, care sunt produși de un singur părinte (prin mitoză) și sunt identici genetic cu acel părinte (Figura 7). Sporii permit ciupercilor să-și extindă distribuția și să colonizeze noi medii. Ele pot fi eliberate din talusul părinte fie în exterior, fie în interiorul unui sac special de reproducere numit sporangiu .

Figura 7. Ciupercile pot avea atât stadii de reproducere asexuate, cât și sexuale.

Figura 8. Această micrografie cu lumină de câmp luminos arată eliberarea de spori dintr-un sporangiu la sfârșitul unei hife numite sporangiofor. Organismul este un Mucor sp. ciupercă, o mucegai întâlnită adesea în interior. (credit: modificare a lucrării de către Dr. Lucille Georg, CDC; date cu bare de scară de la Matt Russell)

Există multe tipuri de spori asexuali. Conidiosporii sunt spori unicelulari sau multicelulari care sunt eliberați direct din vârful sau latura hifei. Alți spori asexuali își au originea în fragmentarea unei hife pentru a forma celule unice care sunt eliberate ca spori; unele dintre acestea au un perete gros care înconjoară fragmentul. Cu toate acestea, alții înmuguresc celula părinte vegetativă. Sporangiosporii sunt produși într-un sporangiu (Figura 8).

Reproducere sexuală

Reproducerea sexuală introduce variații genetice într-o populație de ciuperci. La ciuperci, reproducerea sexuală apare adesea ca răspuns la condițiile de mediu nefavorabile. În timpul reproducerii sexuale, se produc două tipuri de împerechere. Când ambele tipuri de împerechere sunt prezente în același miceliu, se numește homotalic sau autofertil. Micelii heterotalici necesită două micelii diferiți, dar compatibili, pentru a se reproduce sexual.

Deși există multe variații în reproducerea sexuală fungică, toate includ următoarele trei etape (Figura 7). În primul rând, în timpul plasmogamiei (literalmente, „căsătorie sau unire a citoplasmei”), două celule haploide fuzionează, ducând la un stadiu dikariotic în care două nuclei haploizi coexistă într-o singură celulă. În timpul cariogamiei („căsătoria nucleară”), nucleul haploid fuzionează pentru a forma un nucleu zigot diploid. În cele din urmă, meioza are loc în organele gametangia (singular, gametangium), în care sunt generați gameti de diferite tipuri de împerechere. În acest stadiu, sporii sunt diseminați în mediu.

Link către învățare

Examinați caracteristicile ciupercilor vizitând acest site interactiv din Wisconsin-online.

Rezumatul secțiunii

Ciupercile sunt organisme eucariote care au apărut pe uscat în urmă cu mai bine de 450 de milioane de ani. Sunt heterotrofi și nu conțin nici pigmenți fotosintetici precum clorofila, nici organite precum cloroplastele. Deoarece ciupercile se hrănesc cu materii moarte și în descompunere, acestea sunt saprobi. Ciupercile sunt descompunători importanți care eliberează elemente esențiale în mediu. Enzimele externe digeră substanțele nutritive care sunt absorbite de corpul ciupercii, care se numește talus. Un perete celular gros din chitină înconjoară celula. Ciupercile pot fi unicelulare ca drojdii sau pot dezvolta o rețea de filamente numite miceliu, care este adesea descrisă ca mucegai. Majoritatea speciilor se înmulțesc prin cicluri de reproducere asexuată și sexuală și prezintă o alternanță de generații. Astfel de ciuperci se numesc ciuperci perfecte. Ciupercile imperfecte nu au un ciclu sexual. Reproducerea sexuală implică plasmogamie (fuziunea citoplasmei), urmată de cariogamie (fuziunea nucleilor). Meioza regenerează indivizii haploizi, rezultând spori haploizi.