МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Вятский государственный университет»

Биологический факультет

Кафедра микробиологии

Рекомендовано к использованию

в учебном процессе

Протокол заседания кафедры

№_________ от_____________

Заведующий кафедрой

доктор медицинских наук, профессор

________________________И.В. Дармов

И.Г. Широких, А.А. Лещенко

Микробиология

Конспект лекций

Учебно-методическое пособие

Киров 2011

Содержание

Л1.1	Предмет и задачи курса. Мир микроорганизмов, их роль в природе. Микробиология и ее место в системе биологических наук. История развития микробиологии…	3
Л1.2	Положение микроорганизмов среди живых существ, принципы их классификации. Концепции происхождения и развития микроорганизмов……………………………….	14
Л1.3	Грибы. Водоросли. Простейшие. Общая характеристика. Основы классификации. Роль в природе………………….	21
Л1.4	Прокариоты. Основы классификации бактерий. Строение бактериальной клетки. Характеристика отдельных групп бактерий и их свойств……………………………………….	37
Л1.5	Вирусы. Общая характеристика. Основы классификации. Взаимодействие вирусов с клеточными организмами. Бактериофаги……………………………………………….	48
Л2.1	Химический состав микроорганизмов. Питательные среды, используемые для выращивания микроорганизмов, их общая характеристика и компонентный состав……….	62
Л2.2	Накопительные и чистые культуры. Рост и размножение микроорганизмов. Разнообразие типов питания. Автотрофия и гетеротрофия. Фотолитотрофия, фотоорганотрофия, хемолитотрофия……………………..	66
Л2.3	Типы микробных культур. Кривая роста, особенности отдельных фаз и определение параметров роста. Периодическое и непрерывное культивирование, хемостат и турбидостат……………………………………	74
Л.2.4	Особенности работы в микробиологической лаборатории. Техника и методика посевов. Методы основных микробиологических определений. Асептика, антисептика………………………………………………….	87

Лекция 1.1 Предмет и задачи курса. Мир микроорганизмов, их роль в природе. Микробиология и ее место в системе биологических наук. История развития микробиологии

Микробиология - наука, изучающая организмы, неразличимые невооружённым глазом и в просторечии определяемые как микробы. Причиной отделения этих организмов от животных и растений послужила не только малая величина особи (от десятых долей до десятков, иногда сотен микрометров), но и существенным образом связанные с ней особенности морфологии микробов, активность и пластичность их метаболизма и распространение в природе, а также удобство обращения с ними в лаборатории.

Предметом изучения микробиологов являются их морфология, физиология, генетика, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни. Важной задачей микробиологии является также исследование роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе.

Микробиология в настоящее время представляет собой сложный комплекс дисциплин, включающих как классические (морфологию, физиологию и биохимию микроорганизмов) так и новые отрасли (цитология, генетика, молекулярная биология, протеомика, биотехнология).

В таксономическом отношении микроорганизмы очень многообразны; они включают вирусы, бактерии, водоросли, грибы, простейших и даже некоторых многоклеточных животных. В соответствии с объектом изучения можно разделить микробиологию на несколько специальных разделов.

• Вирусология изучает вирусы.

• Бактериология занимается исследованием бактерий, включая актиномицеты.

• Микология исследует грибы.

• Альгология изучает микроскопические водоросли.

• Протозоология имеет объектом своего изучения простейших – одноклеточных животных, стоящих в системе классификации на грани растительного и животного мира.

Обилие фактического материала, накопленного за относительно короткий период научного развития микробиологии, начиная со второй половины 19 века, обусловило необходимость разделения микробиологии как дисциплины биологии на ряд специализированных направлений: медицинское, ветеринарное, техническое, пищевое, почвенное и т. д. Выделим три области практического приложения микробиологических знаний:

Медицинская микробиология, изучающая болезнетворные микроорганизмы и разрабатывающая меры борьбы с ними.

Техническая микробиология, в ведении которой находится производство спиртовых и молочных продуктов, витаминов, антибиотиков, гормонов и т.д.

Почвенная микробиология, изучающая участие микроорганизмов в почвенных процессах в целях оптимального их использования в области с/х производства.

Микроорганизмы заселили Землю около 3-4 млрд лет назад, задолго до появления высших растений и животных, а в настоящее время представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых существ. Они являются, очевидно, единственными формами органической жизни, заселяющими любые, сколько-нибудь пригодные для обитания субстраты. Как никакая другая форма жизни они испытывают постоянное давление окружающей среды и соответственно, постоянно эволюционируют. В свою очередь, изменчивость патогенных микроорганизмов составила основную движущую силу в развитии и совершенствовании систем защиты животных и растений. Более того, они являлись до недавнего времени важным фактором естественного отбора и в популяции Homo sapiens.

Многие микроорганизмы являются возбудителями очень серьёзных заболеваний человека и животных, включая туберкулёз, холеру, сибирскую язву, гонорею, дифтерию, столбняк; они вызывают болезни растений, нанося экономический урон. Только в США известно более 200 видов бактерий, которые признаны патогенами растений.

Очень часто микроорганизмы существенно влияли на ход истории и развитие человеческого общества. Приведём лишь два характерных примера, когда микробы стали причиной изменения численности человеческой популяции на европейском континенте (Бетина, 1976). В XIV веке чума захватила всю Европу и к 1348 году лишила жизни четвёртую часть её населения (около 25 млн человек). Эпидемия возникла исподволь. В 1346 году татары окружили город Танаис (современный Азов). Население бежало в крепость Кафу. Во время осады в татарских войсках вспыхнула чума. Для покорения крепости татары при помощи военных орудий забрасывали через крепостные стены погибших от чумы мертвецов. Распространившаяся зараза вскоре уничтожила почти всё население крепости. Оставшиеся в живых бежали в Константинополь и Италию, занеся и туда осенью 1347 года инфекцию чумы. Из итальянских портов чума в течение 1348 года распространилась по всей Европе.

В 1845 году в результате эпифитотии, вызванной микромицетом фитофторой, были уничтожены в течение недели все посевы картофеля в Ирландии. В результате эпифитотии с 1845 по 1851 от голода в Ирландии умерло около миллиона человек, а полтора миллиона было вынуждено эмигрировать в Америку.

Мир микроорганизмов, их роль в природе и жизни человека. Бактерии и другие микроорганизмы играют важнейшую роль в функционировании экосистем земного шара - выполняют биосферную функцию. Некоторые бактерии – автотрофы и поэтому вносят большой вклад в круговорот углерода; некоторые из них, выращиваемые экспериментально, могут быть коммерческими источниками белка. Способность бактерий к фиксации атмосферного азота имеет решающее экологическое значение. Гетеротрофные бактерии и грибы являются редуцентами. Благодаря им вещества, утилизированные когда-то живыми организмами, высвобождаются и становятся доступными для последующих поколений. В 1г плодородной почвы сельскохозяйственных угодий может содержаться 2,5 млрд бактерий, 400000 грибов. 50000 водорослей и 300000 простейших. На всех этапах круговорота элементов в экосистемах земного шара бактерии играют существенную роль.

Бактерии в изобилии обитают в море; например, установлено, что 90% всей биомассы океана составляют организмы, имеющие размер менее 10 мкм, т.е. бактерии. В зависимости от географического расположения моря от 20 до 60% первичной продукции органического вещества проходит через свободноживущих гетеротрофных бактерий.

Бактерии могут разлагать различные органические вещества. Именно поэтому интенсивно исследуются их способность разлагать нежелательные синтетические вещества. Такие как пестициды, красители, а также нефть (причём не важно, поступили ли эти вещества в окружающую среду). Например, найлон, впервые выпущенный в 1939 году, разлагается бактерией рода Flavobacterium, у которой за такой короткий срок, очевидно, возникли два новых фермента. Некоторые бактерии разлагают пестициды столь быстро, что ограничивают их воздействие на вредителей. Другие бактерии могут быть использованы для извлечения нефти из различных пород.

Бактерии используются как коммерческие источники разнообразных антибиотиков, таких как тиротрицин, субтилин и полимиксин В. Многие бактерии необходимы для получения лекарств и других химических соединений, например, уксусной кислоты, аминокислот и ферментов. Кроме того, производство большинства сыров предполагает бактериальное сбраживание лактозы до молочной кислоты, которая осаждает белки молока. Те же самые бактерии используются и для получения простокваши; кроме того, молочная кислота играет защитную роль в процессе квашения капусты и огурцов.

Во многих странах для получения белковой добавки к пище человека и животных выращивается цианобактерия Spirulina.

Важную роль в производстве антибиотиков играет такая группа бактерий, как актиномицеты. Из нескольких тысяч известных на сегодняшний день антибиотиков две трети продуцируются актиномицетами. Другие актиномицеты, живущие на корнях актиноризных растений, фиксирую азот и тем самым играют важную экологическую роль.

Огромную роль в природе и жизни человека играют микроскопические грибы. Их основная функция в природных БГЦ - разложение органических веществ в основном растительного происхождения. Они - важнейшие редуценты в любом БГЦ.

Велика роль микоризных грибов, находящихся в симбиозе с высшими растениями, древесными и травянистыми, микориза очень широко распространена в природе. Практически все (98%) высшие растения, за исключением водных, имеют микоризу. Особенно микориза распространена среди растений обитающих в болотных биогеоценозах.

Без микоризы не было бы и симбиоза с клубеньковыми бактериями. Оба процесса — образование клубеньков и грибных арбускул — контролируются перекрывающимися генами растения. Недавно показано, что гены бобовых, продукты которых обеспечивают симбиотическую рецепцию SYMRK (symbiosis receptor-like kinase), контролируют белки со структурой, характерной для R-белков растений, выполняющих иммунные функции. Отсюда — возникновение механизмов химической защиты растений, ограничивших «притязания» симбионтов. В частности, появились такие производные фенолов, как флавоноиды, не только противостоящие патогенам, но и расширившие адаптационные способности растений.

Среди грибов много опаснейших паразитов растений, в том числе сельскохозяйственных и они наносят значительный ущерб урожаю сельскохозяйственных культур. Есть среди грибов возбудители болезней человека и животных.

Велика роль грибов как биодеструкторов различных материалов и изделий. Они наносят большой вред, повреждая не только изделия из дерева, ткани, кожи, бумаги, но даже стекло и керамические конструкции. С другой стороны, грибы, главным образом базидиальные, — единственные природные первичные деструкторы древесины. Процесс этот — очень медленный, зависит от толщины стволов и ветвей, видов грибов, климатических условий. Например, до полного разложения крупных стволов тсуги из семейства сосновых проходит около 3 тыс. лет, а мелких веток — от двух до 20 лет. В среднем релаксация углерода в древесине составляет 500—600 лет . Быстрее всего связанный углерод освобождается при хозяйственном или случайном (в результате лесных пожаров) сжигании древесины.

Съедобные грибы являются значительным пополнением пищевых продуктов, особенно пищевого белка, дефицит которого сейчас испытывается во всех странах мира. В этом плане очень перспективно искусственное выращивание съедобных грибов с помощью различных биотехнологических процессов, причём не только их плодовых тел, но и накопление биомассы мицелия, по своим качествам практически не уступающего плодовым телам.

Микробиология и её место в системе биологических наук. Две главные биологические дисциплины, относящиеся к растениям и животным, оформились как науки ещё до того, как в распоряжении человечества появились оптические приборы. Открытие Левенгуком в 1684 году мельчайших организмов ещё не означало начала микробиологии. Пути к пониманию функции и роли этих мельчайших существ были разработаны в дальнейшем химиками и физиками. Это относится в первую очередь к химической природе питательных веществ и продуктов обмена микроорганизмов.

Сначала исследования, посвящённые изучению живых организмов, проводились в очень ограниченных масштабах. Они осложнялись не только религиозными запретами, но главным образом были невозможны потому, что тогда почти ничего не было известно о физическом и химическом составе материи и живых существ. Прорыв в естествознании произошёл на рубеже 16 и 17 веков. Этому способствовало появление более чётких знаний о природе и сам дух времени (опыт Ван Гельмонта (1577-1644) с веткой ивы (переход от схоластики к эксперименту) Брюссель.

Прежде чем могли быть поставлены вопросы о процессах в живой природе и функциях растений и животных, должны были быть сформулированы законы в математике, физике и химии, и описана неживая материя. У истоков этих открытий стоят имена Христиана Гюйгенса (1629-1695), Исаака Ньютона (1643-1727) и Готфрида Вильгельма Лейбница (1646-1716). Долгое время (В конце 18 века) существовал большой разрыв между знаниями физиков и химиков и их приложением к экспериментальному выяснению биологами основных вопросов обмена веществ в организмах.

За время своего развития микробиология много почерпнула из смежных наук, например, биохимии, биофизики, генетики, но также дала мощный импульс для их дальнейшего развития. Микроорганизмы являются удобными моделями для генетических, биохимических, экологических исследований.

История развития микробиологии . С незапамятных времён человек использует деятельность микроорганизмов в своей повседневной жизни. Например, приготовление продуктов питания. Забродившие настои люди употребляли в пищу ещё в доисторические времена. Более чем за две тысячи лет до начала нашей эры египтяне уже варили пиво. Даже не подозревая о существовании микроорганизмов, человечество научилось готовить вино, пиво, уксус, квас и хлеб, научилось квасить молоко и овощи.

Интересно, что для приготовления пищи и напитков опытным путём выработались такие приёмы, будто условия существования возбудителей брожения - дрожжей и бактерий, были человеку подсознательно известны. Готовя тесто, посуду с ним ставили около печки и накрывали для сохранения тепла, как бы зная, что для размножения дрожжей и молочнокислых бактерий, ведущих процесс подъёма теста, требуется температура более высокая, чем обыкновенная комнатная.

При приготовлении пива и уксуса человек тоже поступал так, будто учитывал потребности микроорганизмов. Имея лишь смутные представления о сущности заразных болезней, на основании накопленного опыта люди вырабатывали меры, препятствующие распространению заразного начала. Так, трупы погибших от чумы людей сжигались, больные проказой изолировались от здоровых и т.д. В Китае более трёх тысяч лет назад применялась вариоляция (Мэри Монтегю), т.е. искусственная прививка человеческой оспы. В первое полное собрание законов Российской империи, изданное в 1728 г, входит ряд статей, содержащих противоэпидемические мероприятия; в них признаётся заразный характер эпидемических заболеваний.

Однако, поступая таким образом, люди в большинстве случаев были очень далеки от того, чтобы видеть в микроорганизмах возбудителей брожений и возбудителей болезней человека. Да и о самом существовании организмов, не видимых невооружённым глазом, стало известно только в 17 в, когда человечество научилось изготовлять увеличительные стёкла. Первые более или менее обстоятельные описания микроскопических существ мы находим в книге голландского естествоиспытателя Антона Левенгука (1632-1723) "Тайны природы, открытые Антоном Левенгуком", датированной 1695 годом. С помощью отшлифованных им стёкол он обнаружил присутствие мельчайших живых существ в мясе, зубном налёте, дождевой и колодезной воде, различных настоях и т.д. Открытием Левенгука начинается описательный или "романтический" период в развитии микробиологии. Долгое время учёные ограничивались тем, что рассматривали микроорганизмы под микроскопом и описывали их форму, поражаясь многообразию микрокосма. Для наблюдателей микромира это были лишь курьёзные существа.

К этому же периоду относятся и первые попытки классификации микроорганизмов. Следует отметить, что великий шведский натуралист Карл ЛИННЕЙ не делал попыток систематизировать бактерии и в 12 издании своей Системы природы (1735) поместил известных тогда анималькулей в класс Chaos infusorium. Грибы же этот великий систематик не без колебаний поместил в царство растений, где они и пребывали, несмотря на периодические возражения отдельных исследователей, до второй половины 20 века.

Заслуга создания первой бактериологической классификации, с которой могли работать как медицинские, так и общие микробиологи, принадлежит Фердинанду Кону (1828-1898). Физиолог растений Ф.Кон отнёс бактерии к растительному царству и принял для них бинарную номенклатуру Линнея.

Некоторыми учёными уже в 18 веке высказывалась догадка, что отдельные биохимические процессы являются результатом деятельности микроорганизмов, но большинство, напротив, считало эти процессы причиной появления микроорганизмов. Для наблюдателей микромира это были лишь курьёзные существа. Наиболее сильным импульсом, способствующим бактериологическим исследованиям в 18 и 19 столетиях были поиски экспериментальных доказательств "за" и "против" учения о самозарождении жизни. ("у микробов должны быть родители" взялся доказать первый охотник за микробами Спаланцани). Мастерски проведённые эксперименты итальянского ученого Лаццаро Спалланцани (1729-1799гг.) приблизили разрешение вопроса о самозарождении, в том числе и микроорганизмов. Но окончательное решение вопроса стало возможным после открытий Фердинандом Коном и Робертом Кохом устойчивых к нагреванию спор бактерий. После Спаланцани вопрос о самозарождении жизни объединился с вопросом о брожении и гниении и обсуждался вместе с этими новыми проблемами.

Середина 19 века явилась поворотным этапом в развитии микробиологии. В начале 19 века среди учёных господствовал взгляд немецкого учёного Юстуса Либиха, согласно которому брожение - это химическое явление, вызываемое разлагающимися белковыми веществами. Якобы, атомы разлагающихся белков, находящихся в растворе сахара, приходят в движение, это движение сообщается сахару, оно расшатывает его атомы или молекулы, и сахар разлагается.

С критикой этой теории выступил французский учёный, химик по образованию, Луи Пастер (1822-1895). Согласно Пастеру, процессы брожения - это не простые химические явления. Бродящие тела разлагаются в результате воздействия на них микроскопически малых живых существ - микроорганизмов. Пастер показал, что в различных случаях - молочнокислом, маслянокислом, спиртовом, уксуснокислом - возбудителями всегда являлись живые существа - дрожжи или бактерии. Эти микроскопические существа находятся в воздухе, на кожице плодов, ягод, на зёрнах злаков и т.п. и заносятся в бродящие жидкости извне. Весь ход этих исследований привёл его к выводу, что брожение в тех средах, которые он употреблял, вызывается микроорганизмами, либо находящимися в среде, либо попадающими в неё из воздуха.

Цикл работ Пастера имел большое значение и для развития микробиологических исследований в почвоведении. Именно под влиянием идей о брожении стали изучать анаэробные превращения органических веществ в почве - разложение клетчатки, пектина и других, что положило начало развитию почвенной микробиологии.

В отношении возбудителей заразных болезней также необходимо было показать, что они попадают в организм извне, а не зарождаются в результате гниения его органов или тканей. Эта теория открыла перспективы для выработки мер по управлению процессами брожения и по борьбе с заразными болезнями. Только в том случае, если каждый микробиологический процесс имеет своих возбудителей и каждая заразная болезнь имеет своих агентов инфекций, мы, после установления природы возбудителя того или иного процесса, получаем возможность регулировать её. Пастер концентрировал внимание на профилактических мероприятиях, препятствующих заражению инфекциями, ему мы обязаны введению целенаправленных прививок ослабленными возбудителями болезней.

Поистине революционным для бактериологии стало введение в практику выращивания микроорганизмов твёрдых сред. Применением плотных питательных желатиновых сред и агаровых пластинок мы обязаны гениальности Роберта Коха. Они дали возможность микробиологам получать чистые культуры микроорганизмов. С 1881 года, когда была опубликована эта работа, быстрыми темпами стали выделять бактерии и другие одноклеточные организмы не только ученики Коха, но и исследователи разных направлений. Эти достижения отражены в таблицах. Но заслуги Коха этим не ограничиваются и включают:

- применение микроскопов при микробиологических исследованиях и повышение их разрешающей способности благодаря внедрению достижений Аббе и К.Цейса.

-Применение микрофотографии

- Развитие приёмов окраски бактерий

-Практическое применение правил, которые мы называем постулаты Коха. В основе их лежит триада экспериментального доказательства природы возбудителя инфекции: 1. Возбудитель должен регулярно обнаруживаться у пациента 2.Он должен быть выделен в чистую культуру 3. Выделенный организм должен при заражении подопытного животного вызывать те же симптомы болезни, что были обнаружены у больного. Эти постулаты, впервые опубликованные в работе о туберкулёзе в 1884 году, были приняты не только в медицине, но и в паразитологии, фитопатологии и экологии.

Все эти работы знаменуют собой, так называемый догматический этап развития микробиологии.

Мы рассматриваем теперь инфекционное заболевание как результат взаимодействия между макро- и микроорганизмом. В связи с этим приобрёл большое значение вопрос о восприимчивости и невосприимчивости организма к той или иной болезни, иначе говоря, вопрос об иммунитете.

Разработке этого вопроса положил начало наш знаменитый соотечественник, зоолог И.И. Мечников (1854-1916), который много содействовал развитию микробиологии в России, и многие выдающиеся русские микробиологи работали в его лаборатории. В 1908 году Эрлих и Мечников вместе получили Нобелевскую премию за работы по иммунитету. (гуморальная и клеточная теория иммунитета).

Л.С.Ценковский, будучи профессором ботаники, организовал в своей лаборатории производство вакцин против сибирской язвы. Его же можно считать одним из основоположников общей микробиологии.

Основоположником микологии в России следует назвать М.С.Воронина, он же первый указал на наличие бактерий в клубеньках бобовых растений.

Большую роль в развитии общей и почвенной микробиологии сыграли работы физиолога растений С.Н.Виноградского. Он же установил факт усвоения углекислоты бесхлорофилльными микроорганизмами (серобактериями, железобактериями и нитрифицирующими бактериями), т. е. способность строить своё тело всецело за счёт усвоения неорганических веществ. Этот тип обмена был назван хемосинтезом, а открыт он был в 1887 году, когда Виноградский работал в лаборатории Антона де Бари (1831-1888) в Страсбурге. Он первый также доказал существование анаэробных азотфиксирующих бактерий (выделил в 1895 году Clostridium pasterianum). Кроме того, положил начало изучению микроорганизмов, населяющих почву, и дал оригинальные методы почвенно-бактериологических исследований. Занимался он этим в период, когда возглавил созданный им отдел с/х бактериологии в Пастеровском институте в Париже.

Виноградского зарубежом иногда рассматривают как основателя почвенной микробиологии - fondateur de la microbiologie du sol- поназванию его обобщающей книги. Это очень узко. На деле его влияние было гораздо шире. Сам он говорил о своей работе как microbiologie oecologique, задолго до того как понятие об экологии вошло в широкий лексикон. Почва была для него полем микробной жизни, моделью, как сказали бы мы теперь.

Виноградский реализовал в микробиологии дарвиновский принцип отбора в его наиболее свирепом варианте "выживания наиболее приспособленных" в элективных (избирательных) культурах для дедуктивного выявления микробных катализаторов природных процессов. "Совместное присутствие, в особенности сходных по функции видов неизбежно ведет к борьбе за существование, которая в мире бесконечно малых, вероятно, еще интенсивнее, чем в царстве больших... ". Элективные культуры стали универсальным методом для открытия нового, но сам Виноградский в конце своей долгой научной жизни вернулся к прямым методам наблюдения микроорганизмов в природе, в том числе и некультивируемых, как исходному материалу, относя чистые культуры к области лабораторных работ.

Виноградский утвердил представление, что "функции микробов в природе специализированы; для каждой работы есть свой специалист, приспособивший к ней весь химизм своего существования".

Виноградскому было ясно, что "поискам живых организмов должно предшествовать ознакомление с явлениями, которые развертываются в природе". Деятельность микроорганизмов "не следует представлять себе как сумму индивидуальных процессов, это - коллективная саморегулируемая работа". Применительно к микроорганизмам это прежде всего роль размножающихся катализаторов биогеохимических процессов, организованных в циклы.

Мировоззрение Виноградского как естествоиспытателя всегда оставалось за рамками его публикаций, но было ясно сформулировано 8 декабря 1896 г. на публичной лекции: "Можем ли мы в одном простом и ясном выводе резюмировать значение микробов, как необходимого фактора окружающей нас природы, или же ум наш еще теряется в пестрой смене явлений, которых общий смысл или, скажем прямо, целесообразность, от нас ускользает?" Ответ был дан за 30 лет до биосферы Вернадского в обобщающей, системной, как мы понимаем теперь, формулировке: "В такой связи явлений вся живая материя восстает перед нами как одно целое, как один огромный организм, заимствующий свои элементы из резервуара неорганической природы, целесообразно управляющий всеми процессами своего прогрессивного и регрессивного метаморфоза и, наконец, отдающий все заимствованное назад мертвой природе".

Современник С.Н.Виноградского голландский учёный Мартинус Бейеринк провёл классические исследования азотфиксирующих бактерий - свободноживущих (Azotobacter chroococcum, 1901) и симбиотических клубеньковых, выделил возбудителей пектинового брожения. Имена Виноградского и Бейеринка часто упоминаются в истории микробиологии вместе. Оба опубликовали свои первые сенсационные работы почти одновременно, оба посвятили себя изучению преимущественно "экстравагантных" бактерий. Имя Виноградского связано с хемолитотрофными бактериями. Имя Бейеринка - с обогатительными культурами, методами накопления, обогащения и селекции микроорганизмов, которые в качестве субстрата роста могут использовать различные химические соединения.

Для русской школы микробиологов, основателем которой считается академик Г.А.Надсон (1867-1942), была характерна экологическая направленность, изучение деятельности микроорганизмов в природных субстратах, в естественной среде обитания. В поле зрения интересов русских микробиологов были организмы циклов серы и железа, азотфиксаторы, разрушители целлюлозы.

В.Л.Омелянский вскрыл микробиологическую природу анаэробного разложения клетчатки. Вместе с Виноградским он изучал физиологию нитрифицирующих бактерий. Им написана прекрасная монография об азотфиксирующих микроорганизмах. Его перу принадлежит также лучшее руководство по общей микробиологии, сыгравшее большую роль в развитии отечественной микробиологии и ставшее настольной книгой каждого русского микробиолога.

В изучении микрофлоры морей и других водоёмов много сделано Б.Л.Исаченко.

Из классиков в области медицины следует отметить Д.К.Заболотного, известного своими работами по изучению чумы и холеры. Г.Н. Габричевский внёс ценный вклад в медицину своими работами по скарлатине.

В позапрошлом столетии физиолог растений Д.И.Ивановский открыл существование невидимых в обычный микроскоп возбудителей инфекций - вирусов.

Советские микробиологи много сделали по выработке мер профилактики инфекционных заболеваний, борьбы с эпидемиями и т.д. Ими получен ряд новых вакцин и разработаны новые методы лечения (например, лечение пенициллином и другими антибиотиками).

Много сделано российскими учёными также в области изучения вопросов общей микробиологии и в применении микроорганизмов в промышленности и сельском хозяйстве.

Микроорганизмы широко используются для получения спирта, глицерина, ацетона, лимонной кислоты, хлебных заквасок, а также для получения антибиотиков.

В сельском хозяйстве внедряются новые виды бактериальных удобрений, повышающих урожаи с/х культур. Т.е. догматический период развития микробиологии благополучно трансформировался в академический, и далее - в практический.

История микробиологии изобилует многими открытиями, которые не начинались с осмысленной идеи и тщательно спланированного эксперимента. Некоторые поразительные открытия произошли случайно или были сделаны во время проведения обычных опытов, или же служили решению проблемы, которая не имела никакого отношения к той области, в которой было сделано открытие. Так, бактерии были обнаружены Левенгуком при выяснении того, что придаёт остроту семенам перца. Эдуард Бюхнер открыл в 1897 году бесклеточное брожение благодаря случаю, когда для сохранения дрожжевого экстракта он добавил к нему сахар в качестве консерванта. Александр Флеминг открыл в 1928 году пенициллин, когда изучал морфологию колоний стафилококков и обнаружил, что случайно попавшая на чашку колония плесневого гриба задерживала рост бактерий. Систематические исследования Говарда Флори и Эрнеста Чейна подготовили победоносное движение антибиотиков, за что все трое были удостоены Нобелевской премии. Рудольф Лиске, занимаясь актиномицетами, также наблюдал, что в агаровых культурах на довольно большом расстоянии колония актиномицетов может убивать чужеродные организмы. Непонятно, почему Лиске не дал дальнейший ход своим наблюдениям, в результате чего открытие антибиотиков принадлежит не ему.

Открытие австралийскими учёными (1982) Helycobacter pylori, бактерии, участвующей в патогенезе поражений желудка и двенадцати перстной кишки также связано с элементом случайности (оставили чашки на месяц в термостате, изучая желудочное содержимое, и уехали в отпуск). Позднее, в исследованиях на добровольцах Маршалл воспроизвёл гастрит экспериментальным введением микроорганизмов и получил ретрокультуры, идентичные исходным штаммам. Сейчас хеликобактериоз наблюдается у 98,5% больных язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки. Разработаны соответствующие методы антибактериальной терапии. За цикл работ, связанных с Helycobacter pylori, Нобелевский комитет в 2005 г удостоил учёных премии в области экспериментальной медицины и биологии. Этих примеров достаточно, чтобы утверждать, что многие открытия были сделаны случайно. Однако такие открытия не являются случайным подарком - случай покровительствует только духовно подготовленному (Луи Пастер). Случай обычно подготовлен определенным ходом мыслей. Нельзя отрицать, что он играет в научной работе немалую роль в качестве какого-то непредвиденного явления. Но кто способен оценить это явление? Его может правильно интерпретировать только зрелая мысль. Многие люди не подготовлены к пониманию природных явлений, и только отдельные личности, воспитанные в повседневном напряжении поиска и одаренные тонким аналитическим интеллектом, наделены даром понимать страницы удивительной книги природы, всегда открытой для тех, кто умеет ее читать».

ЛЕКЦИЯ 1.2 Положение микроорганизмов среди живых существ, принципы их классификации. Концепции происхождения и развития микроорганизмов

Положение микроорганизмов среди живых существ, принципы их классификации

Понятие "микроорганизм" не имеет точного таксономического смысла. Любой организм микроскопических размеров может называться микроорганизмом. Они относятся к различным таксономическим группам, имеют разное строение, размеры и типы питания, которые обусловливают различия в их экологических функциях и местообитаниях.

В соответствии с влиянием, которое микроорганизмы оказывают на организм человека, прежде всего - возможность вызвать инфекционное заболевание, их подразделяют на патогенные, условно-патогенные и непатогенные. Несмотря на всю первоочередную важность такого утилитарного подхода, систематика микроорганизмов всё же основана на принципах, общих для всех форм жизни.

1 Естественная систематика имеет конечной целью объединение родственных форм, связанных общностью происхождения, и установление иерархического соподчинения отдельных групп.

2. Искусственная классификация довольствуется более скромными задачами, объединяет организмы в группы на основе сходства их важнейших свойств, эту последнюю характеристику применяют для идентификации и определения микроорганизмов. Хорошо известным примером искусственной систематики бактерий является определитель Берджи.

Под классификацией понимают отнесение конкретного биологического объекта к определённой группе однородности (таксону) по совокупности присущих ему признаков.

Отношения между таксонами изучает систематика. В современной классификации микроорганизмов принята следующая иерархия таксонов: домен, филум, класс, порядок, семейство, род, вид. Вид – основная таксономическая единица. Микробиологи пользуются биномиальной системой обозначения объекта (номенклатуры), включающей родовое и видовое названия.

Определение (идентификация) микроорганизмов базируется на морфофизиологических, биохимических и молекулярно-биологических критериях. При этом признаки могут иметь неодинаковую значимость.

Более формальна нумерическая таксономия, где все признаки альтернативны и имеют «одинаковый вес». Это позволяет дать количественную оценку степени сходства и различия организмов путём вычисления коэффициентов сходства или соответствия.

Филогенетический подход к систематике микроорганизмов учитывает родственные связи и пути эволюции организмов. При такой классификации иерархия таксонов отражает генеалогическое древо.

Попытка перехода к филогенетической классификации микроорганизмов путём сравнения нуклеотидных последовательностей 16S рРНК, состоящей из 1500 нуклеотидов, из которых 900 консервативны. Эта молекула обладает достаточно большой, но не чрезмерной информацией и считается своеобразным «биологическим хрономертром». На основе множества сравнений с помощью компьютера было построено филогенетическое древо.

В настоящее время разрабатывается классификация всех живых существ, в которой выделены три домена: бактерии, археи и эукарии на основе анализа нуклеотидных последовательностей 16S рРНК.

Дабы более чётко очертить круг организмов, вовлекаемых в сферу нашего внимания на протяжении изучения этого курса, и составить представление об их положении в существующих системах классификации биоты, обратимся к подразделению живого мира на уровне царств.

На раннем этапе развития биологии существовало представление, что всё живое, обитающее на земле, подразделяется на 2 царства - животных и растений, фауну и флору. Это представление пошло от Аристотеля и было узаконено Линнеем в "Системе природы". С момента открытия и последующего интенсивного изучения мира микроорганизмов стало необходимым выделение нового третьего царства живых существ, названного Геккелем (1866) царством протистов. В него вошли водоросли, простейшие, грибы и бактерии. С эволюционных позиций ясно, что члены этого царства - потомки тех организмов, которые существовали до разделения животных и растений на две крупные ветви. Появление новых разделов биологии, в частности молекулярной биологии, усовершенствование техники микроскопирования, разработка генно-молекулярных методов исследования микроорганизмов способствовали дальнейшему выделению новых царств природы.

В 70-е года ХХ века возникли представления о существовании двух форм жизни, отражённых в клеточной организации прокариотного и эукариотного типов. Обнаруженные сначала с помощью электронного микроскопа цитологические различия, главным образом в ядерном аппарате, были затем подкреплены биохимическими данными о составе клеточных стенок и механизмов работы компонентов клетки, обеспечивающих синтез информационных молекул РНК. Разрыв между прокариотами и эукариотами оказался значительно большим, чем различия между растениями и животными. При этом царство протистов оказалось разделённым между теми и другими: бактерии и синезелёные водоросли (цианобактерии) отошли к прокариотам, а простейшие, грибы и все другие водоросли к эукариотам.

В современной биологии нет твёрдого твёрдо установившегося единого мнения о подразделении живого мира на уровне царств.

Широкую известность имеет пятицарственная система Уиттейкера (1969). Она основана с одной стороны, на строении клетки (прокариоты и эукариоты), с другой - на способах получения энергии и способах питания. разделивших эукариотные организмы на царства Plantae (фототрофы), Animalia (зоотрофы) и Fungi (осмотрофы). Растения, животные и грибы - три эволюционные линии, возникшие из протистов на основании фототрофного, зоотрофного и осмотрофного питания. Итак, Уиттейкер выделил царство Prokaryotae и дифференцирует эукариоты на одноклеточные (Protista) и многоклеточные (Plantae, Animalia, Fungi). Царство прокариот включает микроорганизмы с примитивной организацией ядерных структур. В царство протистов включаются простейшие и некоторые водоросли. Грибы выделяются в отдельное царство Fungi.

Сочетания двух главных характеристик живых существ - способа питания и типа строения (организации клетки и надклеточной организации) разделяет все существа на принадлежащие к разным типам питания и типам строения.

Тип питания - автотрофный и гетеротрофный.

Тип строения - эукариоты (тканевые), эукариоты (одноклеточные и многоклеточные), прокариоты (преимущественно одноклеточные).

Пересмотр высших таксонов живого мира произошёл далее в связи с обнаружением среди бактерий группы организмов со специфической макромолекулярной организацией клеток и особыми биохимическими функциями. Это архебактерии, их считают одной из самых древних групп живых существ на нашей планете.

Накопление огромного фактического материала в микробиологии для удобства работы потребовало классифицировать изучаемые объекты.

После того как биохимикам удалось установить последовательность аминокислот в белках и нуклеотидов в нуклеиновых кислотах, эта информация была предложена в качестве филогенетического маркера как основа для размещения бактерий на филогенетическом древе. Исходя из представлений о том, что рибосомы, которые присутствуют во всех организмах, являются наиболее консервативными органеллами клетки, содержащими информацию, кодируемую нуклеиновыми кислотами, Карл Везе (1977) разработал концепцию филогенетического древа не только для бактерий, но и для эукариот. В качестве филогенетического маркера он использовал последовательность оснований олигонуклеотидов рибосомной молекулы 16S РНК. При сравнении последовательностей оснований олигонуклеотидов обнаружились связи между организмами, оценка которых привела к разделению органического мира на три надцарства, или домена: эубактерии, архебактерии и эукариоты.

В домене эукариоты выделяются царства растений, животных, грибов, простейших и водорослей. К сравнительно новому домену архей относятся микроорганизмы, разделённые на три филума: Euryarchaeota, Crenarchaeota, Korarchaeota. Первый включает повсеместно распространённые микроорганизмы. Это – метаногены – строгие анаэробы, обитающие в донных осадках или в рубце жвачных, экстремальные галлофилы, способные к фотосинтезу за счёт бактериородопсина.

Ко второму филуму относятся микроорганизмы, имеющие очень узкие и специфические места обитания. Это экстремофилы, зависящие от серных соединений, оптимумы рН и Т которых отличаются экстремальными значениями.

Третий филум зарезервирован за представителями до сего времени некультивируемых прокариот, для которых однако известны последовательности генов, кодирующих 16 S рРНК.

Открытие трёх эволюционных ветвей жизни, сформировавшихся на заре ее возникновения, явилось одним из основных достижений биологии конца ХХ века. Анализ по 16S РНК предоставил возможность создать единую классификационную систему, которую можно отразить в виде графа сходства последовательности оснований.

Концепции происхождения и развития микроорганизмов

Среди главных теорий возникновения жизни обычно выделяют следующие: жизнь возникает неоднократно из неживого вещества (абиогенез); все живое возникает только от живого (лат. omne vivum ex ovo - все живое из яйца, биогенез, теория стационарного состояния); жизнь возникла в результате процессов подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция); жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия); жизнь создана по воле сверхъестественного существа (креационизм).

Теория самопроизвольного зарождения жизни. В древние и средние века было широко распространено мнение, согласно которому низшие животные и даже некоторые позвоночные могут возникать путём самозарождения из разлагающихся органических остатков. Одним из первых такое предположение выдвинул греческий философ Аристотель. В книге «Метафизика» он говорил об идее самозарождения как о единственно возможном объяснении происхождении жизни. В качестве примера он приводил светлячков, которые рождаются из утренней росы. Мировая литература не раз обращалась к этим верованиям. В трагедии Шекспира «Антоний и Клеопатра» Лепид говорит Марку Антонию: «Ваши египетские гады заводятся в грязи от лучей вашего египетского солнца. Вот например, крокодил…». Однако подобные идеи не могли долго противостоять развивающейся науке и были опровергнуты следующим опытом итальянского врача Франческо Реди (1626-1697): он покрыл свежее мясо кисеёй, и через некоторое время личинки мух появились не в мясе, а на поверхности кисеи. Этим было показано, что червячки образуются не самопроизвольно, а развиваются из яичек, откладываемых мухами. Он высказал также тезис (ошибочно приписываемый Гарвею), "Omne vivum ex ovo" - Всё живое из яйца". Но и после этого учёные разных стран защищали точку зрения, согласно которой из разлагающегося органического вещества зарождаются микроскопические существа.

История роли микроорганизмов в спорном вопросе о возникновении жизни регулярно описывается в большинстве учебников по микробиологии. Поиски экспериментальных доказательств за и против учения о самозарождении жизни были наиболее сильным импульсом, способствующим бактериологическим исследованиям в 18 и 19 столетиях.

В 18 веке русский учёный Тереховский и итальянец Лаццаро Спалланцани (1729-1799) показали, что если сосуды, в которых находится жидкость, хорошо прогреть, то в них живых существ не образуется. Ставились также опыты, при которых в сосуд с обеспложенной жидкостью воздух пропускался через крепкую серную кислоту или через слой стерилизованной ваты. Результаты этих опытов говорили против возможности самопроизвольного зарождения.

Французская академия учредила премию тому, кто раз и навсегда покончит с этими спорами, волновавшими весь учёный мир. Луи Пастер провёл серию тщательно продуманных опытов. Сейчас его колбы с S –образным горлышком являются символом исследования, которое вынесло смертный приговор теории самозарождения. Он первым доказал. Что в воздухе содержатся видимые под микроскопом живые организмы. В 1864 году Пастер доложил Французской академии о своих результатах. Окончательное решение вопроса стало возможным в 19 веке после открытий Ф. Коном и Р.Кохом устойчивых к нагреванию спор бактерий, работ Листера, Тиндаля.

Таким образом, вопрос о возникновении жизни долгое время служил импульсом исследований бактерий и других микроорганизмов.

Возможно, есть несообразие в том, что говоря об экспериментах Пастера как о победе разума над мистицизмом, мы тем не менее, вынуждены вернуться к идее о самопроизвольном зарождении, пусть в её более совершенном, научном понимании, а именно к химической эволюции.

Согласно гипотезе химической эволюции, жизнь возникла из неживого вещества, то есть произошла в результате эволюции материи. Это явление, которое нельзя приписать какому-то определённому месту и времени, результат последовательных процессов, действовавших на земле невероятно долго, миллионы лет, и завершившихся образованием современной биосферы. От неорганических соединений - к органическим, от органических – к биологическим: так последовательно совершался процесс зарождения жизни.

Чарлз Дарвин был один из первых, кто рассматривал эту проблему с научной точки зрения. После Дарвина Тиндаль ставил опыты по самозарождению, Томас Гексли высказывал идеи о живой протоплазме. После Гексли в течение полувека интерес к этой проблеме был невелик. – следствие работ Пастера, опровергших теорию самозарождения. Успех в одной области знаний сдерживал дальнейшее развитие в другой. В 1924 году Алекс. Иван. Опарин, советский биохимик, опубликовал брошюру, в которой говорилось « …вещества с большими, сложными частицами очень склонны давать коллоидные растворы в воде. Рано или поздно, но такие коллоидные растворы органических веществ должны были возникнув в первичной водной оболочке Земли, и раз возникнув, они оставались существовать, усложняя и увеличивая свою молекулу всё дальше и дальше… и …. Развиваясь и совершенствуясь дальше, они дали, наконец, те формы организмов, которые мы наблюдаем и в настоящее время».

Существует обширная литература по вопросам накопления растворов органических веществ, которое сопровождалось образованием структур, напоминающих клетки. Однако такое перепрыгивание от морфологического сходства к функциональному весьма опасно, особенно, если речь идёт об объектах, возраст которых несколько миллиардов лет.

Экспериментально Опарин и его сотрудники получили коацерватные капли из большого количества различных биологических веществ. Коацерваты - мельчайшие коллоидные частицы, обладающие осмотическим свойствами. Благодаря проницаемости стенок происходит селективное проникновение молекул из окружающей среды внутрь системы и обратно. Своеобразная модель «протоклеток». Изменчивость структур коацерватов, легкость их возникновения и способность концентрироваться в слабых растворах, возможно позволили им играть исключительную роль в доклеточной эволюции.

Согласно другому учёному Фоксу, возможным путём возникновения на Земле первых клеток было образование микросфер – маленьких твёрдых шариков, полученных из протеиноидов. По форме и размерам эти микросферы часто сравнивают с бактериями.

Таким образом, все предположения относительно того, каким образом могли возникнуть первые структуры, подобные клеткам, являются весьма спорными. В этой области, лежащей на стыке химии и биологии, проводилось много исследований, но получено мало чётких результатов.

Примитивные организмы, возникшие в первичных океанах Земли, были анаэробными и, вероятнее всего, гетеротрофными; океаны в изобилии поставляли им пищу, и первым микроорганизмам оставалось лишь пожирать её. Но с течением времени мощные потоки солнечной энергии уже не могли достигнуть близких к поверхности океана нижних слоёв земной атмосферы (мешал озон). Дальнейший синтез органических соединений стал невозможен. Наступила пора голодания, и тут-то, по-видимому, началась борьба не на жизнь, а на смерть. Только наиболее приспособленные организмы развили в себе способность к фотосинтезу с использованием того света, что пробивался сквозь озоновый слой. В результате свободный кислород продолжал выделяться в атмосферу. Так началось накопление кислорода.

В переходный период от первичной, восстановительной, атмосферы Земли (метан, аммиак, пары воды) к современной, кислородосодержащей, жизнь уже возникла и включилась в медленный процесс эволюции.

Результаты изучения микрофоссилий позволяют предположить, что микроорганизмы возникли в очень ранний геологический период, примерно 4,5-3.5 млрд. лет назад. Если водоросли появились в первобытном океане 3,5 млрд. лет назад, то фотохимические системы, по всей вероятности уже работали. В докембрийский период ранние формы жизни были совершенно примитивными. Они встречаются в виде отдельных клеток, а их первые колонии обнаруживаются лишь с появлением жгутиковых форм. Однако в эпоху среднего докембрия в отдельных местах планктонные водоросли, возможно, образовывали весьма обильные скопления. Появились сине-зелёные водоросли и большое количество хемосинтезирующих бактерий. Предполагается, что тогда же получили широкое распространение фотосинтезирующие микроорганизмы и началось образование кислородной атмосферы. В позднем докембрии, видимо, уже возникли группы организмов, морфологически сравнимых с существующими ныне. Например, сине-зелёные водоросли достигли в своём развитии большого разнообразия, появились клетки с обособленным ядром. Это событие заслуживает особого внимания, ибо оно возвестило возникновение клеточного деления и разнообразия форм.

Среди множества теорий есть одна, приписываема Сванте Аррениусу: он предположил, что «семена жизни» могли быть заброшены на Землю с других планет. Это теория пансмермии, согласно которой под действием солнечной радиации споры могут перемещаться в космическом вакууме до тех пор, пока не попадут в благоприятные условия, и тогда они прорастают. Они могут передвигаться на метеоритных телах или на частицах космической пыли, несущихся с огромной скоростью в безграничной пустоте Вселенной.

Лекция 1.3 Грибы. Водоросли. Простейшие. Общая характеристика. Основы классификации. Роль в природе

Водоросли – низшие, т. е. слоевищные (лишённые расчленения на стебель и листья), споровые растения, содержащие в своих клетках хлорофилл и живущие преимущественно в воде. Такое определение не даёт однако представления о том разнообразии в строении тела, которое свойственно водорослям. Здесь мы встречаемся и с микроскопическими организмами – одноклеточными, колониальными и многоклеточными, и с крупными формами различного строения.

Большинство водорослей - микроскопические организмы, но в отличие от других микробов скопления водорослей легко заметить невооружённым глазом при их обильном развитии на почве или в водоёмах - так называемое "цветение". В этот период на 1 кв. см поверхности почвы может развиваться до 40 млн. клеток, а биомасса их достигает 1,5 т/га.

Водоросли активно заселяют поверхности скал, стволы деревьев и различные сооружения, если существуют условия конденсации влаги на этих поверхностях и достаточное освещение. Водоросли первыми заселяют вулканические пеплы и лаву, начиная, таким образом, процесс их превращения в почву. Пионерная роль водорослей как первопоселенцев проявляется и при разрастании на чисто минеральных субстратах антрапогенного происхождения - на строительных выбросах, промышленных отвалах. Водоросли обнаруживаются во всех почвах, включая почвы пустынь и полупустынь.

Функции водорослей в почвах определяются ролью первичных продуцентов органического вещества, а также накоплением органического вещества, обогащенного азотом. Синезелёные водоросли (цианобактерии) способны к фиксации атмосферного азота. Водоросли оказывают влияние на кислородный режим почв, на структуру почвы.

Вегетативное тело водорослей представлено талломом, или слоевищем. Таллом может быть одноклеточным и многоклеточным. Выделяются различные типы морфологической структуры талломов, повторяющиеся в разных отделах водорослей: амебоидная, монадная, коккоидная, нитчатая (трихомная), пальмеллоидная.

Слоевища бывают корковидные, шнуровидные, пластинчатые или кустистые с ложными "листьями". Водоросли лишены корней и поглощают растворённые вещества из среды всей поверхностью, осмотрофно. У наземных сифональных форм развиваются корнеподобные образования - ризоиды, служащие для прикрепления к субстрату.

Размножаются водоросли вегетативно, а также образуют бесполые споры. У некоторых форм существует половой процесс, заключающийся в образовании гамет, которые могут быть подвижными за счёт наличия у них жгутиков. Органы размножения одноклеточные.

Тип питания у водорослей иной, чем у других микроорганизмов: водоросли - фотосинтезирующие организмы и в большинстве своём не нуждаются в готовых органических веществах. Однако в глубоких горизонтах почвы, куда не проникает солнечный свет, некоторые водоросли способны переключаться на гетеротрофный обмен и поглощают из среды растворенные органические вещества.

Водоросли, как все эукариотические организмы, не способны связывать молекулярный азот. Только синезелёные, или цианобактерии, условно рассматриваемые среди водорослей, относятся к азотфиксирующим микроорганизмам - прокариотам. Источниками азота для водорослей, как и для высших растений являются аммонийные и нитратные соединения. В этом отношении водоросли являются конкурентами растений. Нуждаются водоросли и в доступных формах фосфора.

В зависимости от морфологии, биохимических особенностей клеток (набора пигментов, состава клеточной стенки, типа запасных питательных веществ) водоросли разделяют на несколько крупных самостоятельных таксонов - отделов: зелёные водоросли (Clamydomonas, Chlorella, Microspora), желтозелёные водоросли (Botrydium, Pleuchloris), диатомовые водоросли (Pinnularia, Navicula, Hantzschia), синезелёные (Nostoc, Anabena, Microcystis). Разделение водорослей на таксоны высшего порядка – отделы – в основном совпадает с характером их окраски, связанной с особенностями строения. Однако относительно количества и объёма этих отделов в научной литературе нет единства взглядов. Наиболее широко в отечественной литературе распространено деление водорослей на 10 отделов:

1 сине-зелёные Cyanophyta 6. бурые Phaeophyta

2.пирофитовые Pyrrophyta 7. красные Rhodophyta

3.золотистые Chrysophyta 8.эвгленовые Euglenophyta

4.диатомовые Bacillariophyta 9.зелёные Chlorophyta

5.желтозелёные Xanthophyta 10.харовые Charophyta

Большинство водорослей исторически приспособилось к отдельным комплексам экологических факторов и образовали определенные сообщества, или экологические природные группировки: планктонные, бентосные, наземные почвенные.

Планктоном называют совокупность преимущественно микроскопических свободно плавающих в толще воды организмов. Среди них хризофиты, пиррофиты, хлорофиты и эвгленовые водоросли (фитопланктон). Для облегчения переноса водой планктонные организмы имеют различные приспособления, которые уменьшают удельную массу тела (газовые вакуоли, включения липидов) и увеличивают удельную поверхность тела (разветвленные выросты, приплюснутую форму).

Бентосом называют водные организмы, живущие на дне водоемов, обрастающие различные водные предметы, или плавающие на поверхности воды зеленые скопления, называемые тиной. Фитобентос морей и океанов состоит преимущественно из бурых и красных водорослей, а в пресноводных водоемах представлены практически все отделы водорослей, кроме бурых.

Общее число видов водорослей, обнаруженных в почвах, приближается к 2000.

Водоросли, встречающиеся в слоевище лишайников, называют фикобионтом лишайников. По своему систематическому положению они относятся к различным отделам: синезелёным, зелёным, желто-зелёным и бурым водорослям. Только самые неприхотливые их них, обладающие высокой устойчивостью по отношению кфакторам внешней среды, приспособились к жизни в окружении грибных гиф. Водоросли, окружённые грибной тканью, получают гораздо меньше света, чем это нормально для иъх нормальной жизни. Значит, при образовании слоевища лишайников не гриб выбирает себе подходящего партнёра из числа водорослей. Всё зависит от того, сможет ли водоросль существовать в тесном контакте с грибом и при этом нормально жить и развиваться.

Микроскопические водоросли широко изучаются в связи со следующими аспектами их применения: сельское хозяйство – дополнительный источник белка, витаминов; очистка сточных вод и биосферы; проблема освоения космоса – как звено в замкнутых экологических система, Способных обеспечить биологическую регенерацию воздуха и воспроизводство пищи; получение ценных метаболитов и веществ для медицинской и микробиологической промышленности, использование в научно-исследовательских работах в связи с изучением фундаментальных вопросов биологического саморегулирования и биосинтеза фотосинтезирующих организмов.

Для решения этих проблем разрабатываются способы культивирования водорослей двух типов – массовая культура под открытым небом и интенсивное культивирование в замкнутых аппаратах в полностью контролируемых условиях по типу современных микробиологических производств. В обоих случаях задача заключается в получении максимальных выходов биомассы, что требует изучения путей оптимизации роста и фотосинтетической продуктивности культур микроводорослей.

Водоросли чрезвычайно широко используются в различных отраслях хозяйственной деятельности человека, в том числе в пищевой, фармацевтической и парфюмерной промышленности. В морских водорослях имеется много витаминов А, В₁, В₂, В₁₂, С, Д, йода, брома, мышьяка и других веществ.

Из многих водорослей получают отвердители и желеобразующие вещества. Из красных водорослей (Laminaria, Ascophyllum, Macrocystis) получают коррагенан, альгиновую кислоту и ее производные - альгинаты, применяемые в косметике, медицине и пищевой промышленности. Альгинаты обладают большой клеящей силой, их используют в текстильной и бумажной промышленности для придания бумаге плотности и глянца. Из анфельции (Ahnfeltia plicata) получают агар-агар, содержащий главным образом полисахариды. Агар-агар широко применяется при приготовлении питательных плотных сред в микробиологических лабораториях. В больших количествах его используют при изготовлении мармелада, пастилы, мороженного и других кондитерских изделий. Из филлофоры (Phyllophora), занимающей большие площади на глубине 30-50 метров в прибрежных районах Черного моря, получают йод. Многие водоросли используются в пищу человека и животных. Около 80 видов водорослей считаются съедобными и широко используются в питании населения Японии, Кореи, Китая, Индонезии и других стран.

Простейшие

Простейшие (Protozoa) в соответствии с концепцией протистов можно определить как объединение ряда групп нефотосинтезирующих, в типично случае подвижных, одноклеточных микроорганизмов - типичных эукариот. Вопрос филогении и систематики простейших весьма сложен и до настоящего времени остается спорным при рассмотрении его микробиологами и паразитологами, что привело к созданию и разработке ряда классификаций. Среди Protozoa – выделяют классы: корненожки (амёбы, фораминиферы, радиолярии, солнечники), жгутиковые, споровики, инфузории (реснитчатые).

Морфология. Размеры тела простейших колеблется в пределах от 1-2мкм до нескольких сантиметров. Однако у большинства размеры тела находятся в пределах 40-60мкм. Простейшие - это преимуществен- но одиночные, реже колониальные организмы. Их тело состоит из одной клетки, которая обладает всеми функциями организма, такими как обмен веществ, раздражимость, размножение. Эти функции осуществляются при участии кроме типичного для любой клетки набора органелл и органоидами, специфичными для простейших. Так, органоидами движения у них служат ложноножки - псевдоподии (временные выросты цитоплазмы), жгутики и реснички (постоянные образования). Клетки простейших покрыты плотной эластической мембраной - пелликулой, образуемой периферическим слоем цитоплазмы. Некоторые из них снабжены опорными фибриллами и минеральным скелетом. Цитоплазма простейших содержит компактное ядро или несколько ядер, окруженных мембранной, ядерный сок - кариолимфу, хромосомы и ядрышки, а так же структуры, свойственные клеткам многоклеточных животных организмов: эндоплазматический ретикулум, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы, различные типы вакуолей. Пищеварение у простейших осуществляется с помощью пищеварительных вакуолей.

Подавляющее большинство простейших обладает способностью к инцистированию. При наступлении неблагоприятных условий они округляются, выбрасывают из своего тела все пищевые остатки, втягивают или отбрасывают органы движения, формируют на своей поверхности плотную оболочку и впадают в состояние длительного покоя. Образование цисты позволяет организму не только переносить неблагоприятные условия (понижение температуры, промерзание или высыхание водоема), но и расселятся. Подхваченные ветром, они разносятся на большие расстояния, попав в благоприятные условия, клетка сбрасывает или покидает оболочку цисты, начинает питаться и размножаться.

Размножаются простейшие в основном делением клетки надвое с предшествующим митотическим делением ядра т. е. происходит бесполое размножение. Некоторые простейшие размножаются половым путем со сменой жизненного цикла, сопровождающегося сменой хозяев. Для одноклеточных простейших характерен жизненный цикл - совокупность всех стадий развития, которые у каждого вида повторяются с определенной закономерностью.

Примерно половина всех видов относится к ископаемым формам, населявшим океаны и моря. Изучением простейших занимается наука протозоология. К патогенным простейшим - возбудителям заболеваний человека относятся дизентерийная амеба, лямблии, трихомонады, лейшмании, трипанасом плазмодии малярии, токсоплазмы, балантидии.

Наибольшее количество их видов живёт в солёных (моря, океаны) и пресных водах. Они входят в различные биоценозы, в том числе в состав планктона и бентоса, и играют важную роль в круговороте веществ в биосфере. Простейшие из класса корненожек составляют значительную долю в биомассе гетеротрофов океанов и морей. Радиолярии, имеющие подобно диатомовым водорослям, кремневый скелет, и фораминиферы, скелет которых состоит из углекислого кальция, иногда из сернокислого стронция или хитиноподобных органических веществ. По отмирании эти организмы опускаются на дно и образуют радиоляриевые илы, обогащенные кремнезёмом, и глобигериновые - известковые илы. Первые распространены в более широком диапазоне глубин, чем вторые, так как при прохождении через большие толщи насыщенной углекислотой морской воды маленькие известковые раковины целиком растворяются, поэтому глобигериновые илы, дающие начало известковым породам, залегают на глубине 3500-4000 м, а радиоляриевые - глубже.

Морские формы простейших вместе с другими микроорганизмами входят в состав планктона и служат пищей для других водных животных и рыб. Твердые минеральные скелеты многих простейших участвуют в формировании на дне морей залежей известняков и мела. Скелеты некоторых групп простейших используются в практике геологоразведочных работ для определения нефтеносных слоев. В благоприятных условиях теплого климата простейшие участвуют в цветении воды. Наличие отдельных видов простейших служит показателем загрязнения водоемов.

Довольно многочисленные виды простейших живут в почве. Где они существенно влияют на плодородие.

Среди почвенных простейших выделяются жгутиконосцы, саркодовые и инфузории. Для их активной жизни важнейшее значение имеют наличие воды в почвенных порах и количество бактерий, которыми они питаются. Жизнь в почвенных микросредах с огромным количеством тончайших капилляров накладывает отпечаток на морфологию простейших. Размеры почвенных простейших в 5-10 раз меньше, чем у пресноводных или морских обитателей. Численность их может быть очень высокой - до нескольких сотен тысяч клеток в 1 г почвы. Биомасса в благоприятных условиях достигает 30-40 г/кв.м.

Жгутиконосцы - самые мелкие формы среди простейших, характеризуются наличием жгутиков. Есть виды, содержащие в клетках пигменты, в том числе хлорофилл и способные к фотосинтезу. Эти организмы относят иногда к водорослям, и они занимают промежуточное положение между растениями и животными. Типичный представитель - эвглена зелёная.

Саркодовые, или корненожки, включают голые и раковинные амёбы. По размерам они больше жгутиконосцев (20-40 мкм, раковинные до 65 мкм). Характерная черта амёб - непостоянная форма тела. Клетки саркодин округлые или вытянутые, не имеющие жесткой оболочки, образующие псевдоподии, в которых переливается плазма. Псевдоподии служат как для передвижения, так и заглатывания пищи. Амёба включает бактериальную клетку внутрь цитоплазмы. Непереваренные остатки через некоторое время выбрасываются наружу. При питании дрожжами амёбы выбрасывают споры или капли непереваренного жира. Кроме бактерий и дрожжей амёбы поедают клетки водорослей, нападают на других простейших, главным образом на мелких жгутиконосцев или других корненожек и коловраток.

Инфузории - одна из наиболее многочисленных и прогрессирующих групп простейших. Инфузории - обитатели водоёмов, в почве их меньше, чем других простейших. Клетки до 80-180 мкм, ширина в два-три раза меньше длины. Имеют реснички. (Colpoda, Paramecium, Stylonichia). Обильны в местах развития одноклеточных водорослей, служащих пищей для инфузорий.

Очень многие простейшие перешли от свободного образа жизни к обитанию в других организмах и стали паразитами. Многие из них возбудители тяжёлых заболеваний человека и животных. Кишечник человека и животных является местом обитания довольно многих видов жгутиконосцев. Широко распространён род трихомонад, обладающий многочисленными видами. В верхних отделах тонкого кишечника человека довольно часто встречаются лямблии – ещё один вид паразитических жгутиконосцев. Они встречаются и у многих млекопитающих, в частности у кроликов и мышей. Однако у каждого вида хозяина существует свой, свойственный только ему вид лямблий. Значительное количество видов жгутиконосцев – паразиты крови. Кровяные жгутиконосцы относятся к роду трипаносом, среди них возбудитель тяжёлого заболевания – сонной болезни, широко распространённой в экваториальной Африке. На ранних стадиях трипаносома живёт в плазме крови, на поздних проникает в спинномозговую жидкость. Переносчиком трипаносом является муха цеце. До разработки методов рационального лечения этого заболевания, трипаносомы являлись настоящим бичом для населения многих африканских стран.

К семейству трипаносомид относятся также представители рода лейшманий, два вида которых являются возбудителями тяжелых заболеваний человека. Один вызывает кожное заболевание – лейшманиоз; другой – висцеральный лейшманиоз, проявляющийся лихорадкой, малокровием, общим истощением и гипертрофией печени и селезенки. При отсутствии лечения приводит к летальному исходу. Переносчики лейшманий – москиты.

Большая группа паразитических простейших приспособилась к обитанию в организме разнообразных хозяев, относящихся к разным систематическим группам животных, их подробно изучают в курсе медицинской протозоологии. Так, дизентерийная амеба является обитателем толстой кишки человека. Она вызывает тяжелое заболевание - амебную дизентерию. Представителями простейших являются разные виды малярийных плазмодиев, обладающие сложным гетероксеническим развитием, в течение которого они связаны с двумя хозяевами - человеком и комаром рода Anopheles. Паразитируют в теле человека токсоплазмы, балантидии и трихомонады (в полости рта, в кишечном и урогенетальном трактах). Есть виды простейших, которые поражают растения, в том числе, культурные. Жгутиконосцы – паразиты растений распространены преимущественно в тропических странах, в умеренной зоне встречаются реже. Один из представителей - лептомонас – принадлежит к семейству трипаносомид.

Интересный путь эволюции жгутиконосцев – переход к колониальным формам организации. Колонии их разнообразны и достигают у высших представителей, например вольвокса, очень сложной дифференцировки. Колонию вольвокса некоторые учёные рассматривают уже как многоклеточный организм, поскольку не все клетки колонии равноценны. Возможно, что колониальность имела большое значение в эволюции органического мира и явилась переходным этапом к многоклеточным животным.

Грибы. Общая характеристика

Грибы составляют отдельное царство - Fungi. (Mycota, от греч. микос - шампиньон), включающее по разным оценкам от 100000 до 250000 видов. Царство объединяет гетеротрофные эукариотные организмы относительно простой организации - от одноклеточных до нитчатых, мицелиальных. Размножаются грибы спорами. Разрастясь на поверхности или в глубине субстрата. грибы соприкасаются с ним клеточной оболочкой, через которую они выделяют во внешнюю среду ферменты и поглощают питательные вещества абсорбтивным путём. Такой тип взаимодействия с субстратом определяет положение грибов как разлагателей органических веществ в экосистемах. Почвенные грибы представляют собой самую крупную экологическую группу, участвующую в минерализации органических остатков растений и животных и в образовании почвенного гумуса. Грибы являются наиболее древними организмами, существовавшими ещё до расхождения царств растений и животных. Эти данные получены по сравнительному изучению цитохромов С в различных группах организмов. Согласно этим данным время дивергенции грибов и животных определяется примерно в 1,1 млрд. лет.

Сравнение нуклеотидных последовательностей 16/18 S pРНК позволяет предположить, что грибы, животные и растения дивергировали из одной точки. Это подтверждает ранее высказанную гипотезу о выделении грибов ещё до основного расхождения живого мира на растения и животные.

Грибы обладают признаками как животных, так и растений. Полярность клетки, неограниченный верхушечный рост (апикальный), строение клеточной стенки, образование поперечных перегородок - черты, присущие грибам, характерные и для растений. Отсутствие хлорофилла, гетеротрофный тип питания, наличие в клеточной стенке хитина, а не целлюлозы, образование мочевины в процессе азотного обмена, синтез запасных углеводов в форме гликогена, а не крахмала, формирование лизосом в цитоплазме, структура дыхательных ферментов - цитохромов и транспортных РНК - черты, присущие грибам, но и характерные для животных.

Своеобразие грибов выражается не только в сочетании признаков. присущих растениям и животным, но и наличием специфических черт и свойств, характерных для членов только царства Mycota: мицелиальной структуры вегетативного тела, сложных ядерных циклов и плеоморфизма, многоядерности и гетерокариоза (разнокачественность ядер в одной клетке), дикариоза (длительное существование в одной клетке двух ядер, одновременно делящихся и имитирующих диплоидное ядро).

Грибы образуют мицелий, или грибницу, состоящую из ветвящихся нитей - гиф (от 5 до 50 мкм) с апикальным верхушечным ростом и боковым ветвлением. Такое строение позволяет грибу максимально оккупировать субстрат для извлечения из него питательных веществ. У грибов нет специальных структур, приспособленных для питания, они всасывают питательные вещества всей поверхностью тела. Гифы представляют собой структуры в виде длинных трубочек, состоящих из клеточных стенок и цитоплазмы с включениями. Всю совокупность гиф грибного тела называют мицелием. Размеры единичного мицелия не ограничены, рост грибов происходит за счет кончиков гиф. При этом периферийный рост может продолжаться до тех пор, пока хватает питательных веществ, и у некоторых шляпочных грибов (базидиомицетов) мицелий может занимать участок до 15 м в диаметре. На определенных стадиях, например при смене фаз полового и бесполого размножения, мицелий образует плотные сплетения, так называемую плектенхиму. Типичный пример плектенхимы - плодовые тела шляпочных грибов, которые люди собирают для употребления в качестве продукта питания.

У некоторых грибов, например дрожжей, вегетативное тело представлено одиночными почкующимися или делящимися клетками. Если такие почкующиеся клетки не расходятся, то образуется псевдомицелий.

Грибы размножаются бесполым (конидиями, спорами) и половым путём (образование различных половых структур - зигоспор, сумок или базидий)

Грибы - плеоморфные организмы; один вид может иметь несколько стадий развития, которые различаются морфологически, функционально и проходят в разных местообитаниях или со сменой растений-хозяев. Например, некоторые фитопатогенные грибы имеют сапротрофную почвенную стадию.

Распространены они повсеместно в природе и в окружении человека там, где есть хотя бы следы органических веществ. На основе трофических связей грибы можно разделить на пять экологических групп

1 -сапротрофы - большинство почвенных грибов

2 - паразиты, находящиеся в почве в виде спор

3 - факультативные паразиты

4- микоризообразователи

5- хищные грибы

Грибы хищники уничтожают вредных нематод и амёб и представляют перспективу для разработки биологических методов борьбы с вредителями корней растений.

Выделяется также группа лишайниковых грибов - симбионтов, живущих вместе с водорослями и цианобактериями в составе лишайника.

Несмотря на то, что все грибы - гетеротрофы, они очень разнообразны по своим пищевым потребностям и возможностям в освоении субстрата и поэтому составляют ещё несколько экологических подгрупп. Эти различия объясняются главным образом различием в наборе ферментов, которыми они обладают. Различают: сахаролитики, использующие легкодоступные углеводы, крахмал, гемицеллюлозу, но не целлюлозу. Это немногочисленная группа, несмотря на то, что сахар доступен всем организмам. Основная особенность этой группы - активный рост мицелия, быстрое прорастание спор и покоящихся клеток при наличии подходящих субстратов.

Целлюлозолитики - менее определённая группа по пищевым потребностям, так как она включает грибы, у которых это свойство может быть выражено и очень слабо, и очень сильно. Эти грибы растут медленно, не выдерживают конкуренции с "сахарными грибами" за легкодоступные субстраты.

В группу разлагателей лигнина входят грибы, которые начинают развиваться, когда все легкодоступные субстраты уже использованы.

По мере разложения растительных остатков начинают развиваться грибы, довольствующиеся малым количеством питательных веществ и способные разлагать специфические вещества гумуса.

Есть экологические группы грибов разлагателей кератина, входящего в состав шерсти, перьев, рогов, копыт, разлагателей навоза - копрофилы, ксилофаги, разрушающие древесину, гербофилы развивающиеся на травах, микофилы, растущие на других грибах.

Многие почвенные грибы образуют тёмноокрашенный мицелий. Они синтезируют меланиновые (черные) пигменты. После отмирания мицелия меланины накапливаются в почве и входят в состав почвенного гумуса. Мицелий грибов агрегирует почвенные частицы, структурируя почву.

Грибы выделяют в среду многие органические кислоты, растворяют труднодоступные фосфаты, улучшая питание растений.

Быстрое накопление биомассы и продуцирование различных БАВ сделали грибы важными продуктами питания и объектами микробиологической промышленности. Грибы были первыми микроорганизмами, которые человек использовал для улучшения питательных свойств пищи. Дрожжи с незапамятных времён дали человечеству два важнейших продукта, без которых развитие цивилизации было бы немыслимо - хлеб и вино. С грибами связаны две революции в медицине нового времени. Первая - открытие пенициллина. Это первый, нашедший клиническое применение антибиотик, спас от смерти больше людей, чем все остальные лекарства, вместе взятые. С его открытием стало возможно лечить болезни, ранее считавшиеся абсолютно летальными - перитонит, сепсис.

Вторая фармакологическая революция произошла недавно. Всем известны опыты южноафриканского хирурга Бернара по пересадке органов человека. Ещё раньше методы по пересадке органов животных были разработаны русскими хирургами, но несмотря на то, что технически проблема пересадки органов была давно решена, практически она не находила широкого применения вследствие иммунной некомпетенции пересаженных органов и их отторжения. И только после открытия грибных антибиотиков из группы циклоспоринов, которые оказались высокоактивными иммунодепрессантами, эти операции стали обычным клиническим приёмом.

Основы классификации

Классификация грибов учитывает филогенетические связи и преследует во многом практические цели. Номенклатура бинарная: каждому виду или роду присваивается родовое или видовое название (например, пекарские дрожжи - Saccharomyces cerevisiae, винные дрожжи - Saccharomyces vini, спорынья ржи - Claviceps purpurea). Виды объединяются в роды, роды - в семейства (окончание на aceae), семейства - в порядки (окончание на ales), порядки в классы (окончание на mycetes) и отделы (окончание на mycota). Основные таксономические группы грибов являются категориями достаточно устоявшимися, однако предлагаемые разными авторами разные классификационные схемы весьма многочисленны и, порой, во многом отличаются друг от друга. В этой связи целесообразно придерживаться современной систематики и наиболее обоснованной в микологии классификации Айнсворта и Бисби 2001 года.

По сочетанию основных признаков (подвижность, строение зооспор или гамет, состав клеточной стенки, путь синтеза лигнина) в царстве грибов выделяют в настоящее время три самостоятельные эволюционные линии, берущие начало от различных групп древнейших жгутиковых Flagellatae.

Царство Fungi - настоящие грибы - согласно современным представлениям включает четыре отдела - хитридиомицеты, зигомицеты, аскомицеты и базидиомицеты. Хитридиомицеты имеют подвижные стадии. Представители трёх других и группы анаморфных грибов только с бесполым типом размножения подвижных стадий в цикле развития не имеют. В основе выделения этих отделов (классов) лежит тип полового процесса.

Существуют грибоподобные организмы, среди которых в царстве Protozoa выделяются миксомицеты.

Хитридиомицеты – наиболее древняя группа грибов, в цикле развития имеет жгутиковые стадии – зооспоры. Мицелий без перегородок. Отдел включает один класс Chytridiomycetes, это преимущественно водные формы (морские и пресноводные). Есть и паразиты водорослей, цветковых растений, беспозвоночных и грибов, или сапротрофы на субстратах, содержащих хитин, целлюлозу или кератин.

Зигомицеты. Отдел Zygomycota включает грибы, мицелий которых не разделён септами, исключение составляют представители некоторых порядков. Подвижные стадии отсутствуют. Клеточные стенки мицелия содержат хитин и хитозан. Бесполое размножение осуществляется спорангиоспорами, образующимися в спорангиях. Половой процесс – зигогамия – известен не у всех групп. В эту группу включают сапротрофные грибы и паразиты растений, животных. Грибов, микоризообразователи (везикулярно-арбускулярные микоризы большинства травянистых растений – порядок Glomales класса Zygomycetes), симбионты членистоногих, хищные зоопаговые грибы.

В классе Zygomycetes выделяют от 3 до 8 порядков на основе типа бесполых репродуктивных структур, характере ветвления воздушных гиф, комплексе признаков септ, присутствии и морфологии зигоспор, а также экологии.

Центральный порядок класса –Mucorales включает около 50 родов. Они представлены преимущественно сапротрофами, некоторые паразитами на растениях и грибах, на животных и человеке. Представители – мукор, ризопус, фикомицес, морттиерелла.

Порядок энтомофоровых – паразиты членистоногих, вызывают массовую гибель тлей, комаров, саранчи. Для них характерно образование мицелия с перегородками и отстреливающихся конидий.

Зоопаговые – хищные грибы. Развивающиеся за счёт почвенной микрофауны. Их клейкий мицелий приклеивается к клетке амебы и образует гаустории. Проникающие внутрь. Представители других хищных грибов образуют ловчие кольца, в которые попадают нематоды.

Аскомицеты и базидиомицеты – очень близкие группы грибов. Признаки, объединяющие эти группы: наличие в циклах развития дикариотической стадии, мицелий с септами, имеющими центральную пору, таллом преимущественно мицелиального строения, в отдельных группах – дрожжеподобный, клеточная стенка хитин-гексанового типа с разной долей участи хитина, у дрожжей в клеточной стенке присутствуют маннаны, бесполое размножение конидиями, отсутствие подвижных стадий, тенденция к образованию плодовых тел.

Различаются эти группы по характеру образования половых структур: эндогенному, в сумке, у аскомицетов или экзогенному, на базидиях, у базидиомицетов, продолжительности дикариофазы в цикле развития, строению септ в мицелии, ряду биохимических признаков.

Ascomycota самая большая по числу группа видов до 75% всех известных видов. Основная отличительная черта – наличие сумки – аска. Сумка представляет собой специализированную клетку, формирующуюся в результате полового процесса и являющуюся его конечным этапом, которому предшествует плазмогамия, кариогамия и мейоз. Сумка – репродуктивный орган, в ней формируются обычно 8 спор.

Для аскомицетов характерен септированный мицелий и полное отсутствие подвижных форм.

Сумки могут формироваться прямо на мицелии или внутри специальных образований – плодовых тел, которые в зависимости от строения носят названия – клейстотеции (замкнутые), перитеции (с отверстиями на вершине), апотеции (блюдцевидные). Весенние грибы леса – сморчки и строчки имеют апотеции в форме сморщенной шляпки на ножке.

Большинство видов аскомицетов – сапротрофы. В конидиальной стадии некоторые аскомицеты вызывают болезни культурных растений – мучнистую росу, паршу яблонь. Груш. Среди них есть микоризообразователи и симбионты лишайников.

Basidiomycota – отдел наиболее высокоорганизованных грибов. Основная отличительная черта – наличие специализированного органа базидии. Развивающегося в результате полового процесса и являющегося его конечным этапом. Базидия, как и аска- репродуктивный орган, на ней образуются споры, с помощью которых идёт дальнейшее размножение особи. Базидия представляет собой либо большую, нерасчленённую клетку, развивающуюся из конечной клетки гифы. Либо образование, расчленённое перегородками. Характерной особенностью базидии является наличие наружных выростов – стеригм. На которых располагаются базидиоспоры. На каждой базидии обычно располагается по 4 базидиоспоры.

Базидии образуются на мицелии, плодовых телах и из покоящихся спор. Прорастание базидиоспор – один из ведущих признаков в таксономии группы.

Другая существенная характеристика базидиальных грибов – своеобразное строение септ мицелия.

У большинства базидиомицетов характерное строение мицелия: он имеет так называемые «пряжки», лежащие сбоку на гифе. Пряжки участвуют в синхронном делении дикарионов в гифе, принимая при делении одно ядро в пряжку.

Плодовые тела базидиомицетов могут иметь разнообразную форму. На мицелии они часто располагаются по кругу, образуя так называемые «ведьмины кольца». Конидиальное бесполое спороношение у базидиомицетов встречается редко. Плодовые тела однолетние и многолетние, размеры их микроскопических до крупных, весом более 1 кг, а иногда и свыше. Они бывают рыхлыми, мясистыми, кожистыми, деревянистыми, имеют форму корочек, рогов, копытообразных выростов, шаровидных образований или состоят из ножки и шляпки.

У базидиомицетов с мясистыми плодовыми телами, состоящими из ножки и шляпки, гименофор бывает пластинчатый, зубчатый и трубчатый. Такой гименофор имеют хорошо известные съедобные и ядовитые грибы, распространённые в лесной зоне. Часть из них микоризообразователи, другие участвуют в разрушении растительного опада и древесины, третьи – паразиты многих деревьев (опёнок осенний Armillaria mellea). Плодовые тела шампиньонов, белых грибов, подосиновиков, лисичек, млечников используются в пищу, некоторые искусственно культивируются.

Фитопатогены среди базидиомицетов – головнёвые и ржавчинные грибы, наносящие ущерб посевам зерновых культур. Плодовые тела ядовитых грибов, таких как бледная поганка или мухомор служат для получения лекарственных препаратов.

Несовершенные грибы. Группа Deuteromycota (митотические грибы)

Разнообразна по характеру входящих в неё видов, включает формы с хорошо развитым септированным многоклеточным мицелием, но не имеющие половых спороношений. Некоторые из них представляют собой анаморфы (конидиальную стадию) аскомицетов, реже базидиомицетов. Для других половой процесс совсем не известен и они эволюционируют только в бесполой конидиальной стадии. Размножение происходит и вегетативным путём – таллоспорами или почками бластоспорами.

Положение этой группы в системе грибов всегда было сложным. Наиболее известны гифомицеты, насчитывающие до 10 тыс. видов. Их особенно много в почвах. Некоторые виды разлагают целлюлозу и другие полимерные соединения мёртвых растительных тканей. Самые распространённые среди почвенный гифомицетов – Penicillium и Aspergillus. К гифомицетам относятся также темноокрашенные грибы родов Alternaria, Cladosprium, Ulocladium, Stemphylium.Эти грибы синтезируют внутриклеточные черные пигменты меланины, которые после отмирания накапливаются в почве и входят в состав почвенного гумуса.

Некоторые виды несовершенных грибов известны как паразиты растений, наносящие большой урон сельскому хозяйству. Многие из них обитают в почве и поражают корневую систему растений. Они вызывают увядание хлопчатника (Verticillium daliae), фузариоз, корневые гнили, гипертрофию корней, черные ножки, гнили корневых шеек.

Слизевики или слизистые грибы не являются истинными грибами и выделены в последние годы в царство Protozoa, однако по некоторым признакам они сходны с ними, и поэтому их рассматривают часто совместно. Наиболее известными представителями слизистых грибов являются истинные слизевики (миксомицеты) - организмы, часто встречающиеся на гниющих стволах и пнях в сырых лесах. Их плодовые тела величиной 0,5-1 см иногда ярко окрашены в красивые желтые, оранжевые или красные тона. Отдел миксомикота (слизевиков) включает эукариотические гетеротрофные организмы, вегетативная (трофическая) стадия которых представлена голым многоядерным протопластом, способным к амебоидному движению по субстрату - плазмодием. Способ питания в основном голозойный: путём внутреннего переваривания частиц пищи, например бактерий. Размер их - от нескольких микрометров до нескольких сантиметров. Репродуктивная стадия - простой или сложный спорангий. Если внешние условия неблагоприятны, плазмодий превращается в твёрдый склероций из окружённых стенкой клеток (макроцист), которые при наступлении подходящих для вегетации условий снова прорастают в плазмодий.

Группа включает около 690 видов и подразделяется по уровню организации плазмодия, особенностям цикла развития и способу питания на 6 классов. (Кила капусты –Plasmodiophora).

Дрожжи

Грибы, вегетативная стадия которых представлена одиночными почкующимися или делящимися клетками, называют дрожжами. Дрожжи не составляют единого таксона среди грибов и встречаются как среди аскомицетов, так и среди базидиомицетов и несовершенных.

Клетки дрожжей имеют разную форму: округлую и овальную, стреловидную и лимоновидную, цилиндрическую и палочковидную, треугольную и серповидную. Иногда они образуют структуры, имитирующие мицелий. Он отличается от истинного мицелия тем, что возникает в результате почкования, а не апикального роста гиф и поэтому называется ложным, или псевдомицелием.

Известно около 1000 видов дрожжей, среди которых большинство – аскоспоровые или их несовершенные стадии (анаморфы). К аскомицетам относятся все так называемые «культурные» дрожжи, способные к спиртовому брожению и издавна используемые человеком для производства хлеба, пива, вина и некоторых других пищевых продуктов. Среди культурных дрожжей наиболее известны Saccharomyces cerevisiae (пивные, винные и пекарские дрожжи), Schizosaccharomyces pombe (африканские делящиеся дрожжи, активно сбраживающие сахара при t⁰ выше 30⁰ C.

В природе дрожжи в основном находятся в ассоциациях с растениями. Они обильно развиваются на листовых пластинках, в нектаре цветков, в экссудатах деревьев, в раневых повреждениях кактусов, на поверхности ягод, плодов и фруктов. Вместе с этими субстратами они попадают в подстилку и почву.

Значение грибов. Множество грибов - сапрофитов играет важную роль в круговоротах биогенных элементов на Земле и улучшении плодородия почвы сельскохозяйственных угодий. Вместе с сапрофитными бактериями они образуют группу редуцентов, разлагающих разнообразный органический материал до более простых соединений.

Аскомицеты и базидиомицеты участвуют в создании двух важнейших типов взаимовыгодного симбиотического союза: лишайников (симбиоз гриба и водоросли) и микоризы (симбиоз гриба и корней растений).

Лишайники могут служить примером высокоразвитого симбиоза между микроорганизмами. В талломе лишайника гриб и водоросль (или цианобактерия) так тесно связаны между собой, что образуют единое растительное тело. Формообразующим компонентом является грибная часть лишайника - микобионт. Гриб получает от клеток водоросли органические вещества (продукты фиксации СО₂), а сам снабжает водоросль минеральными солями и защищает ее от неблагоприятных воздействий. Водоросли и цианобактерии в лишайнике являются фикобионтами. Эти комбинированные микроорганизмы заселяют экстремальные места обитания, в которых ни один из партнеров не мог бы выжить в одиночку. Лишайники являются показателями чистоты данной местности.

У многих растений существует тесная ассоциация корней с грибами - микориза. Многие почвенные грибы могут проникать в корни растений и внедрятся в их клетки, при этом они могут стимулировать рост корней и самих растений, выделяя гетероауксины. Опытные грибники знают, что некоторые съедобные грибы растут только вблизи определенных видов деревьев (береза, ель, сосна, дуб), которые в микоризе играют роль растения-хозяина. Польза для гриба от такой ассоциации состоит в том, что он получает от растения продукты ассимиляции (углеводы, витамины), а для растения - в более эффективном поглощении минеральных веществ.

В последние десятилетия грибы широко использовали для промышленного производства антибиотиков. Первыми продуцентами пенициллина - антибиотика, который получил широкую известность уже в начале 40-х годов, стали разные виды Penicillium, в частности P. notatum и P. chrysogenum. Позже стали использовать десятки других грибов при получении новых антибиотиков: Aspergillus fumigatus, Penicillium griseofulvum, Lenzites sepiaria, Lenzites thermophila и др.

Велико хозяйственное значение дрожжей. Помимо общеизвестного использования их в хлебопекарной, кондитерской, ликероводочной и пивоваренной промышленности, они применяются как ценный питательный продукт, дополнительный источник белка, витаминов, ферментов, минеральных веществ, который широко внедряется в животноводстве. При этом для выращивания дрожжей используются относительно дешевые источники сырья.

Грибы, вредные для человека. Сапрофитные грибы играют весьма важную роль в биосфере, однако они же причиняют достаточно хлопот человеку, вызывая порчу пищевых продуктов и различных органических материалов. Натуральные ткани, кожа и другие товары широкого потребления, изготовленные из природного сырья, тоже легко разрушаются грибами. Поэтому при хранении зерна, фруктов, других продуктов и материалов применяют различные защитные меры.

Грибы часто являются причиной заболеваний растений, животных и человека. При этом грибы, в отличие от бактерий чаще поражают растения, что имеет огромное экономическое значение для производителей сельскохозяйственных растительных культур.

Лекция 1.4 Прокариоты. Основы классификации бактерий. Строение бактериальной клетки. Характеристика отдельных групп бактерий и их свойств

Термин Prokaryotae (доядерные) объединяет микроорганизмы с примитивной организацией ядерных структур. Это название было предложено канадским учёным Мюрреем в 1968 г.

В настоящее время все прокариоты делят на четыре группы по признаку строения наружных покровов клетки: грамотрицательные эубактерии, грамположительные эубактерии, микоплазмы, лишённые клеточных стенок и архебактерии, или археи. В составе наружных покровов архей отсутствует характерный для истинных бактерий муреин. Три первые группы объединяются как эубактерии, архебактерии представляют собой обособленную (на уровне домена - империи) группу организмов, отличающихся от других строением молекул рибосомальных и транспортных РНК, РНК-полимеразами, липидами, строением клеточной стенки.

Строение бактериальной клетки

Клетка прокариот обладает рядом принципиальных особенностей, касающихся как её ультраструктурной, так и химической организации.

Главная особенность прокариотной клетки - отсутствие ядра, ограниченного от цитоплазм двойной мембраной. Наследственный материал сосредоточен в бактериальной хромосоме, обычно представленной в виде кольцевой молекулы двухцепочечной ДНК. У некоторых спирохет, родококков, агробактерий обнаружены хромосомы линейного типа, а у актиномицетов - "псевдокольцевые". У некоторых видов в клетке обнаружены две или даже три неидентичные хромосомы. Нитевидная молекула ДНК выполняет функцию ядра и располагается в центральной зоне клетки, называемой "нуклеоидом". В электронном микроскопе на срезе бактериальной клетки эта зона выглядит более светлой, чем остальная цитоплазма.

У бактерий может присутствовать дополнительная молекула ДНК в виде внехромосомных элементов либо интегрированных в генофор. подобные включения обозначаются термином "плазмиды" (соответственно эписомальные и интегрированные). Для ДНК эписом тоже характерна кольцевая форма, но по размеру эписомы меньше бактериальной хромосомы Плазмиды несут ряд различных генов и часто определяют вирулентность бактерий, но информация, содержащаяся в плазмидах, не абсолютно необходима для бактериальной клетки.

Цитоплазматическая мембрана, окружающая каждую клетку, определяет её величину и обеспечивает сохранение существенных различий между клеточным содержимым и окружающей средой. В клетке бактерий отсутствует мембранная сеть - эндоплазматический ретикулум, цитоплазматическая мембрана, лежащая под клеточной стенкой и отгораживающая снаружи протопласт, является единственной мембраной в клетке.

Но мембрана - это не просто механическая перегородка. Она служит также высокоизбирательным фильтром, который поддерживает разницу концентраций ионов по обе стороны мембраны и позволяет питательным веществам проникать внутрь клетки, а продуктам выделения выходить наружу. Цитоплазматическая мембрана представляет собой ансамбль липидных и белковых молекул. удерживаемых с помощью нековалентных взаимодействий. В электронном микроскопе мембраны имеют вид листков толщиной около 7 нм с выраженной трёхслойной структурой, двойной слой липидных молекул определяет структурные особенности мембраны, белки же ответственны за большинство мембранных функций.

В цитоплазматической мембране прокариот существуют многочисленные впячивания - инвагинации, которые выполняют разные функции. Они могут содержать ферменты энергетического метаболизма и соответственно выполнять функции митохондрий или являться мезосомами и участвовать в делении клетки. Из цитоплазматической мембраны формируются покровы эндоспор. Она представляет собой также главный барьер для проникновения веществ внутрь клетки.

Структуры, расположенные снаружи от цитоплазматической мембраны, - клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, фимбрии, пили, ворсинки - являются поверхностными структурами.

Клеточная стенка - важный и обязательный структурный компонент большинства прокариотных клеток (истинных бактерий, не считая архебактерий и микоплазм). Располагается под капсулой или слизистым чехлом или (в случае отсутствия последнего) - контактирует с окружающей средой. Клеточная стенка служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придаёт клетке определённую присущую ей форму - ригидность. Состав и строение клеточной стенки – важный систематический признак, по которому все прокариоты подразделяются на следующие группы: грамположительные, грамотрицательные и не имеющие клеточной стенки.

Названия этих групп происходят от способности или неспособности разных бактерий окрашиваться по Граму. Датским врачом К. Грамом, занимавшимся окрашиванием тканей, в 1884 г. был предложен метод окраски, который позднее использован для бактерий. Его суть мы подробно рассмотрим на лабораторном занятии, а пока отметим, что клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре.

Г+ бактерии хорошо удерживают внутри клетки красящий комплекс генцианового фиолетового с иодом, а Г - - теряют окраску после обработки спиртом.

Эмпирически найденные различия между двумя группами бактерий в отношении окраски по Граму оказались коррелятивно связанными со многими другими важными признаками. Например, Г+ бактерии размножаются бинарным делением за счёт формирования поперечной перегородки в клетке, грамотрицательные - путём образования перетяжки. Первые чувствительны к пенициллину, вторые - нет. Г- бактерии не образуют эндоспор, а некоторые Г+ их образуют.

По строению и химическому составу клеточная стенка прокариот резко отличается от таковой эукариотичных организмов. Клеточная стенка прокариот состоит из нескольких слоёв, из них основной - каркасный - слой, ответственный за прочность, формируется из особого вещества - пептидогликана муреина, который синтезируется только прокариотной клеткой и не встречается у других организмов. Это поперечносшитый биополимер, гетерополисахарид, формирующий замкнутый мешок, полностью покрывающий клетку снаружи. Муреин составляет основную массу клеточной стенки Г+ бактерий (в 40 раз больше, чем Г^-). Полисахаридный состав молекулы построен из чередующихся остатков N -ацетилглюкозамина и N - ацетилмурамовой кислоты, соединённых между собой с помощью гликозидных связей. Муреиновый мешок достаточно эластичен и под действием внешних факторов может растягиваться и сжиматься до 4-х раз. Интересно, что такая биологическая структура, как муреин, возникла в ходе эволюции дважды, поскольку некоторые археи содержат аналогичный по строению биополимер, состоящий из других исходных материалов.

В состав клеточной стенки входят также тейхоевые кислоты и полисахариды. Тейхоевые кислоты представляют собой полимеры, построенные на основе многоатомных спиртов (рибита и глицерина), соединённых между собой фосфодиэфирными связями. Считается, что тейхоевые кислоты придают муреиновому мешку определённую степень свободы при растяжении и сжатии и действуют наподобие пружин в матрасе.

У Г- эубактерий строение клеточной стенки намного сложнее. В её состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к цитоплазматической мембране. Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки - наружная мембрана, которая состоит из фосфолипидов, белков, липопротеина и липополисахарида. Между цитоплазматической и внешней мембранами возникает уникальное периплазматическое пространство. Внешняя мембрана содержит белки-порины, формирующие поры. Кроме того, она обеспечивает контакт клеток между собой, с поверхностью субстрата и удерживает ряд внешних структурных образований, например пили.

Пили – нитеобразные полимерные органеллы белковой природы, локализованные на поверхности клеток. Обозначает все типы нежгутиковых образований на поверхности клетки (фимбрии). Пили выступают акцепторами бактериофагов. Помогают клеткам принимать и передовать ДНК при коньюгации и принимать участие в движении клетки. Основное назначение – поддержка специфических прикрепительных структур клеток.

Прокариоты, не имеющие клеточной стенки, называются микоплазмами. Это сапротрофы и внутриклеточные паразиты растений, человека, животных.

Клеточная стенка прокариот механически защищает клетку от воздействия окружающей среды, обеспечивает поддержание её внешней формы, даёт возможность клетке существовать в гипотонических растворах. С клеточной стенкой связана проницаемость и транспорт веществ в клетку.

Под цитоплазматической мембраной у бактерий находится цитоплазма. Это коллоидная система, состоящая из воды, белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других веществ, соотношение которых варьирует в зависимости от вида бактерий и их возраста. В цитоплазме могут находиться включения (мезосомы, газовые вакуоли) и запасные вещества (β-гидроксибутират, гранулы гликогена и серы, карбоксисомы, пароспоральные тельца). Некоторые из включений просто лежат в цитоплазме, другие окружены тонкой мембраной (2-4 нм).

Цитоплазма прокариотной клетки не подвержена циклическому движению, как у растений или сократительным явлениям, как у амёб. Бактериальные клетки осуществляют движение за счёт других механизмов: либо при помощи просто устроенных жгутиков, отличающихся от сложных жгутиков эукариот, они активно плавают в жидкой среде либо скользят, выделяя слизь и перемещаясь по поверхности плотного субстрата. Несколько модифицированный тип движения наблюдается у спирохет, которые обладают «аксиальной нитью».

Бактериальные жгутики располагаются по полюсам или по разным сторонам клетки. В зависимости от числа и расположения жгутиков различают монотрихи (один полярный жгутик), амфитрихи (жгутики на двух полюсах), лофотрихи (пучок жгутиков) и перетрихи (жгутики по всей поверхности клетки). Жгутики построены иначе. Чем у эукариот (9+2). У бактерий жгутики правовращающие, у архей – левовращающие. Жгутик состоит из базального тела, включающего 4 или 2 кольца, стержень,белки мотора, а также из крючка и филломента (цилиндр состоит из белка флагеллина).Подвижные клетки бактерий активно перемещаются в направлении, определяемом теми или иными факторами. Такие направленные перемещения бактерий называют "таксисами".

Покоящиеся клетки бактерий представлены у Г+ бактерий эндоспорами, у Г- -цистами. Споры бактерий обладают уникальной устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Устойчивость спор связана с наличием у них особого слоя в клеточной стенке - кортекса.

Эндоспоры остаются жизнеспособными в течение 500 лет, споры актиномицетов до 7500 лет, бацилл -25-30 млн лет (в кишечнике пчелы в кусочке янтаря).

Тип спосрообразования (бациллярный, клостридиальный и плектридиальный) часто помогает идентифицировать культуру.

Циста – потерявшая подвижность клетка с утолщённой ослизненной оболочкой. Устойчивая к высушиванию и перепадам температур. Цисты характеризуются состоянием покоя со значительно сниженной метаболической активностью. Функции: защищают от вредных воздействий окружающей среды, служат способом сохранения ДНК, способ передачи информационного начала от хозяина к хозяину (у патогеннов). Прорастание стимулируется благоприятными внешними условиями.

Снаружи клеточные стенки прокариот часто бывают окружены слизистым веществом. Такие образования в зависимости от структурных особенностей получили название капсул, слизистых слоёв, чехлов или влагалищ (у нитчатых бактерий). Все они являются результатом биосинтеза прокариотами органических полимеров, в основном полисахаридной природы, и отложения их вокруг клеток. Как правило, химический состав капсул, образуемых бактериями, родо- и видоспецифичен. Капсулы и чехлы защищают клетку от повреждений, высыхания, создают дополнительный барьер, служат препятствием для проникновения фагов, создают вокруг клеток особую среду, обеспечивающую определённый водный режим.

Форма клетки прокариот очень разнообразна. Выделяют три основные формы бактерий - шаровидные или овальные - кокки, палочки (бациллы) и спиралевидные.

Кокки подразделяют на парные - диплококки, тетракокки, пакетообразные кокки или сарцины, располагающиеся этажами, стрептококки - в цепочках, стафилококки, образующие бесформенные скопления, напоминающие гроздья винограда.

Среди палочек выделяют одиночные, беспорядочно расположенные, диплобациллы, расположенные попарно и стрептобациллы - в цепочках

Спиралевидные бактерии разделяют на две группы - вибрионы и спирохеты и спириллы, имеющие изгибы, равные одному или нескольким оборотам спирали.

Многоклеточные прокариоты имеют форму нитей или червеобразную форму.

Таким образом, бактерии морфологически сравнительно слабо дифференцированы, поэтому среди них можно различить лишь ограниченное число форм. С таким внешним "единообразием" удивительно контрастирует чрезвычайное многообразие метаболических процессов.

Основы классификации бактерий

Классификация микроорганизмов, причисляемым к прокариотам, учитывает в первую очередь практические моменты и служит для распознавания описанных форм. Под классификацией понимают распределение единиц по группам более высокого порядка. Она осуществляется по иерархической системе. Основной единицей является чистая культура выделенной бактерии - "штамм". Штаммы объединяются в виды (species), виды в роды (genus, мн. числ. genera), а роды в семейства. Основой для классификации служит адекватное описание штаммов. в соответствии с которым и проводят сравнение и разграничение рассматриваемых единиц. Установлением соподчинения отдельных групп организмов занимается таксономия.

Различают два вида классификаций: филогенетические "естественные" и искусственные. Построение естественной классификации - конечная цель таксономии бактерий, которая состоит в том, чтобы объединить родственные формы, связанные общностью происхождения, и на этой основе создать филогенетическое древо бактерий. Несомненно, когда-нибудь это удастся сделать, исходя из химических признаков - таких, как последовательность аминокислот в функционально сходных белках или последовательность нуклеотидов в консервативных нуклеиновых кислотах, например в рибосомных РНК.

Искусственная классификация ставит перед собой более скромные задачи. Она довольствуется объединением организмов в отдельные группы на основе их сходства и используется для идентификации и определения организмов. Искусственная система рассчитана на использование её в качестве ключа для определения. Наиболее полный труд, в котором описаны бактерии, - это "Руководство по определению бактерий Берги". Первое издание определителя, подготовленное Американским обществом микробиологов, вышло в 1928, последнее - девятое - в 1994. Это признанный во всём мире, регулярно переиздаваемый многотомный труд, подготовленный международным коллективом из лучших специалистов по той или иной группе микроорганизмов (около 300 авторов). На русский 9-е американское издание переведено в 1997 г, благодаря бескорыстной работе русских микробиологов, с готовностью отдавших своё время и знания для перевода соответствующих глав. Это справочник для идентификации бактерий, необходимый в каждой лаборатории.

Разделение бактерий по группам на основании фенотипических признаков (морфологии, физиологии) удобно в практических целях для быстрой идентификации организмов. Организмы объединяются в искусственные группы, или "секции", не имеющие таксономического статуса и часто обозначаемые по наиболее характерному роду или названию. По такому принципу построен Определитель Берджи (9-е изд., 1997)

Краеугольное для каждой классификации понятие "вид" для бактерий до сих пор не имеет чёткого определения. Разнообразные механизмы изменчивости бактерий обусловливают определённую нестабильность признаков, совокупность которых определяет тот или иной вид. Поэтому в систематике бактерий широко применяют понятие "вариант". Различают морфологические, биологические, ферментативные, серологические и многие другие варианты

В микробиологии также применяют специализированные понятия и термины - "штамм" и "клон". Термин "штамм" определяет культуру микроорганизмов, выделенную из определённого конкретного источника. клоном называют культуру микроорганизмов, полученную из одной материнской клетки.

Характеристика отдельных групп бактерий и их свойств

В схеме филогенетического древа прокариот, построенного на основе данных геносистематики - сравнения последовательности нуклеотидов в молекуле 16S рРНК, большинство таксонов бактерий входит в группировки цианобактерий, протеобактерий и грамположительных бактерий. Самостоятельное положение занимают ветви фототрофов и цитофаг.

Цианобактерии - группа оксигенных фотосинтетических бактерий, составляющих группу первичных продуцентов как в наземных, так и в водных экосистемах. Они осуществляют фотосинтез с выделением кислорода. Раньше эти организмы называли синезелёные водоросли.

По строению клетки цианобактерии - типичные прокариоты с фотосинтетическими мембранами, собранными в тилакоиды. В них располагается хлорофилл а, как у зелёных растений, но отсутствует хлорофилл b. В качестве дополнительного пигмента присутствуют фикобилины. Многие цианобактерии способны к азотфиксации, особенно в отсутствие кислорода. В аэробных условиях азотфиксация осуществляется в гетероцистах.

Протеобактерии - новый класс бактерий, представляет собой наиболее обширную группу грамотрицательных бактерий, разнообразную по числу видов и физиологическим функциям, включающую фототрофные и хемотрофные бактерии.

Представители протеобактерий:

Грамотрицательные аэробные палочки и кокки составляют группу организмов, получивших суммарное название псевдомонады по форме клеток с полярным жгутиком - мелкие, одиночные, подвижные бактерии, не образующие спор. Аэробы, иногда факультативные анаэробы. Типичными родами служат Pseudomonas, Alcaligens, Xanthomonas.

Азотобактерии (Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia). Подвижные короткие палочки азотобактера способны превращаться в неподвижные кокки. клетки имеют слизистые капсулы, при старении превращаются в покоящиеся формы - цисты, устойчивые к высушиванию, но не к нагреванию. В кислых почвах - бейеринкии.

Симбиотические азотфиксаторы клубеньковые бактерии с типовым родом Rhizobium. Подвижные палочки, не образующие спор. Они живут в свободном состоянии в почве, но способны внедряться через корневые волоски в корни бобовых растений и. размножаясь в клетках растения-хозяина, превращаются в неподвижные искривлённые палочки - бактероиды. На этой стадии они фиксируют азот атмосферы. Под их влиянием на корнях бобовых образуются клубеньки.

Факультативно-анаэробные грамотрицательные палочки объединяют в группу энтеробактерий. Они представляют собой подвижные палочковидные бактерии с перитрихиальными жгутиками или неподвижные жгутиков. Экологически они разделяются на три группы: представители кишечной флоры млекопитающих (например Escherichia coli) и возбудители кишечных инфекций (Salmonella, Shigella); эпифитные и патогенные для растений бактерии (Erwinia herbicola), обитатели воды и почв (Serratia, Proteus).

Почкующиеся бактерии - своеобразная по морфологии группа бактерий, которые размножаются путём образования почек.

Простекобактерии обладают характерным выростом - простекой - в виде стебелька. Типичный представитель Caulobacter отличается уникальным жизненным циклом. У клетки сначала появляется жгутик , а на противоположном полюсе образуется простека, с помощью которой она прикрепляется к другим бактериям. при делении клетки образуются две - одна с простекой, которая может делиться. другая со жгутиком, которая плавает до тех пор. пока не потеряет жгутик и не образуется простека. Тогда она тоже начинает делиться. Плоская бактерия рода Stella имеет вид шестиугольной звезды. Встречается в илах и торфах.

Миксобактерии - скользящие бактерии, образующие слизь. Передвигаются по субстрату с образованием плотных слизистых тяжей. Имеют сложный цикл развития с образованием плодовых тел разной формы и цвета. которые формируются при агрегации клеток и слизи. Клетки в созревших плодовых телах превращаются в миксоспоры, которые способны на свежем субстрате прорастать в новые вегетативные палочки.

Спириллы - и другие изогнутые бактерии имеют форму изогнутых или спиральных клеток. а по многим свойствам они близки к псевдомонадам. Настоящие спириллы имеют один пучок жгутиков на полюсах и очень подвижны. Среди них есть патогенные виды, сапротрофы и автотрофы, окисляющие водород. На корнях некоторых трав, главным образом злаковых, обитают спириллы с высокой азотфиксирующей активностью, за что они и получили родовое название Azospirillum.

Спирохеты

Эти организмы представляют уникальную группу бактерий, обладающих особым механизмом подвижности и формой. Протоплазматический цилиндр навёрнут на центральную ось из осевых жгутиков. и в результате клетка имеет вид длинной подвижной спирали, способной сворачиваться и развёртываться. Тонкие и длинные клетки передвигаются винтообразно благодаря сократительной деятельности осевой нити клетки. Распространены в загрязнённых водоёмах, иловых отложениях. реже в почве. Среди спирохет есть паразиты, например Treponema -возбудитель сифилиса.

Цитофаги

Цитофаги представляют собой тонкие заострённые с двух концов палочки, размножающиеся при образовании длинных перетяжек. Два рода - Cytophaga и Sporocytophaga - различаются тем, что последние образуют микроцисты, сходные с микроспорами бактерий рода Myxococcus. Цитофаги - наиболее активные разлагатели целлюлозы в почве в аэробных условиях. Они способны также гидролизовать и другие полисахариды, например, хитин. Хитинофаги - тонкие изгибающиеся палочки длиной до 40 мкм. Они разлагают хитин, но не целлюлозу.

Грамположительные бактерии

Грамположительные бактерии объединяют все прокариоты с эндогенными спорами и актиномицеты с примыкающими к ним группами организмов. Характерны следующие признаки: наличие ригидной клеточной стенки грамположительного типа, хотя окраска по Граму у некоторых представителей может изменяться; движение, если оно есть, всегда осуществляется за счёт жгутиков, которые как правило, многочисленны и распологаются по всей поверхности клетки (перитрихиальный тип жгутикования).

Г+ бактерии с низким содержанием гуанина и цитозина

Образующие эндоспоры Г+ организмы - обычные обитатели почвы. Почти все хемогетеротрофы, использующие органические субстраты в процессах аэробного или анаэробного дыхания, либо брожения. Общий признак - способность образовывать покоящиеся клетки, эндоспоры, которые обладают уникальной устойчивостью к нагреванию, токсическим веществам, ультрафиолетовому облучению и ионизирующей радиации. Вегетативные клетки спорообразующих бактерий обычно подвижны, размножаются поперечным делением. В большинстве это палочки, редко - кокки. Есть аэробы (Bacillus) и анаэробы (Сlostridium, Desulfotomaculum).

Бациллы - аэробные в основном свободноживущие, редко облигатно-патогенные организмы палочковидной формы. Палочки обиночные или в цепочках разной длины. В большинстве случаев бациллы подвижны. При спорообразовании клетки иногда раздуваются, приобретая форму веретена или барабанной палочки. В почве бациллы участвуют во многих процессах, связанных с разложением белков, крахмала и других полисахаридов, составляя группу гидролитиков. Среди бацилл есть патогенные виды для человека - возбудитель сибирской язвы B. anthracis и насекомых B. thuringiensis, которая образует в спорангиях кристаллы токсина, который губительно действует на многих членистоногих (насекомых).

Анаэробные спорообразующие бактерии были впервые описаны Л.Пастером в 1861 как возбудители маслянокислого брожения. Это было большое открытие в биологии - обнаружение жизни без участия свободного кислорода. Позже анаэробы были найдены среди других бактерий.

Спорообразующие анаэробы представлены в почвах родами Clostridium, Anaerobacter. Среди спорообразующих анаэробов можно выделить несколько групп по физиологическим функциям.

1.Сахаролитические, сбраживающие простые углеводы, крахмал, пектин. целлюлозу. Бактерии этой группы способны активно фиксировать азот.

2.Клостридии, разлагающие в анаэробных условиях белки и вызывающие гниение. среди них - возбудители раневых инфекций (столбняка. гангрены), пищевых отравлений (ботулизм)

3.Пуринолитические, сбраживающие азотсодержащин гетероциклические соединения - пурины и пиримидины Cl. acidurici, Cl. сylindrosporum

4.Сульфатредуцирующие, окисляющие органические кислоты или водород с использованием сульфатов в качестве акцептора водорода Desulfotomaculatum.

Среди спорообразующих анаэробов обнаружено два вида грамотрицательных бактерий, отнесённых к новому роду Sporomusa. Это единственное исключение из общего правила, что эндогенные споры образуют только грамположительные бактерии.

Гелиобактерии –единственные Г+ фототрофы, способные к образованию настоящих эндоспор. Это облигатные анаэробы и фотогетеротрофы, содержащие в клетках уникальный бактериохлорофилл g. Они являются активными азотфиксаторами, встречаются в почвах и содовых озёрах.

Г+ кокки. Аэробные микрококки составляют обширную группу органотрофных бактерий, образующих различные по форме агрегаты клеток. Среди них много патогенных форм – Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus. К анаэробным коккам, осуществляющим разные брожения, относятся молочнокислые стрептококки, Sarcina ventriculi -обитатель желудка при крайне низком рН, обитатели рубца – разнообразные Ruminococcus, а также сбраживающие азотистые соединения Peptococcus.

Грамположительные бактерии с высоким содержанием Г+Ц

Коринеподобные бактерии – Г+ неспорообразующие палочки неправильной формы. Представлены группой родов, характеризующихся плеоморфным ростом с жизненным циклом кокк-палочка – кокк и специфическим способом деления клеток. Приводящим к образованию Т-Х-V-Y форм. У многих представителей коринеподобных бактерий клетка претерпевает дробление. При котором одновременно образуется несколько нерегулярных септ. Группа не имеет определённого таксономического статуса. Среди коринеподобных бактерий в почве наиболее распространены артробактерии, по Виноградскому. Представители собственно почвенной, автохтонной микрофлоры.

Актиномицеты составляют своеобразную группу бактерий, многим из которых свойственно морфологическое разнообразие клеток, в том числе способность к формированию ветвящегося мицелия. Мицелиальная организация определяет сходство актиномицетов с грибами. Подобно грибам они способны продуцировать внеклеточные ферменты – гидролазы, Ссособные разлагать сложные полимеры. Мицелий актиномицетов очень тонкий (диаметром 0.5-1,0мкм). При росте на плотных средах часть мицелия проникает в питательный субстрат (субстратный мицелий), а часть развивается над субстратом (воздушный мицелий). Размножаются актиномицеты фрагментами мицелия и спорами, которые образуются на мицелии. Споры могут быть одиночными. Двойными. Собранными в цепочки разной формы и длины или в спорангиях. Спороносцы бывают прямыми, волнистыми, спиральными. Споры чаще неподвижные, иногда снабжены жгутиками.

Современная систематика актиномицетов основана на традиционно используемых морфологических и физиолого-биохимических признаках этих организмов, а также на данных о химическом составе клеточных компонентов – составе оснований ДНК, характеристике липидов, составе компонентов клеточной стенки. На основе результатов определения одигонуклеотидного состава молекулы 16S рРНК создана филогенетическая система актиномицетов и родственных им бактерий. Актиномицеты составляют порядок Actinomycetales, включающий более 100 родов и входящий в класс актинобактерий.

Некоторые представители – патогенны человека, животных и растений. Образуют симбиотические азотфиксирующие ассоциации с растениями.

Природное местообитание – почва.

Актиномицеты являются продуцентами примерно половины всех известных антибиотиков, в том числе с антибактериальным, противогрибковым, противоопухолевым. Противовирусным, противопаразитарным действием.

Микоплазмы

Организмы, составляющие эту группу, являются очень мелкими прокариотами, полностью лишёнными ригидных клеточных стенок. Клетки ограничены только цитоплазматической мембраной и не способны к синтезу предшественников пептидогликана – мурамовой и диаминопимелиновой кислоты. Они не чувствительны к пенициллину и его аналогам.

Микоплазмы – гетеротрофы со сложными пищевыми потребностями, что затрудняет их культивирование на искусственных средах. Большинство видов – факультативные анаэробы. Колонии на плотных средах очень мелкие. Микоплазмы часто проникают внутрь среды, врастая в неё. В подходящих условиях образуют характерные колонии, похожие на яичницу-глазунью: непрозрачная центральная зона и просвечивающая периферическая.

Размножаются неправильным делением, в связи с чем в культуре наблюдаются клетки разной формы и размеров. Клетки имеют форму кокков, палочек, дисков, спирально закрученных нитей, грушеобразную, иногда с нитевидными отростками. Образуют также мелкие клетки, которые нельзя увидеть в световой микроскоп (менее 0.2 мкм). Они фильтруются через бактериальные фильтры. Микоплазмы можно считать самыми мелкими клеточными микроорганизмами из всех известных.

Микоплазмы могут вызывать заболевания у человека – микоплазмозы, пневмонию, болезни у растений. Свободноживущие микоплазмы найдены в горячих источниках. В почве имеют существенное значение Gallionella, Metallogenium, Siderococcuc, участвуют в процессах превращения железа и марганца.

Архебактерии

Согласно филогенетической классификации архебактерии составляют отдельный домен. Рибосомальная РНК архебактерий отличается от всех других прокариот, только они способны к образованию метана. Многие из них являются экстремофилами, развиваются в условиях крайних температур, кислотности и солевой концентрации.

По форме и размерам клеток, общим принципам их организации и характеру деления археи сходны с эубактериями, хотя только среди них обнаружены организмы кубической формы. Многие археи подвижны и имеют жгутики, похожие на бактериальные, но несколько отличающиеся деталями организации. Покровы клеток у разных архей могут иметь разное строение и химический состав, но им присуще наличие поверхностных слоёв, образованных белками или гликопротеидами.

Археи, по видимому не способны к паразитизму. По крайней мере, пока не известны археи, приносящие вред каким-либо другим организмам, хотя среди них много симбионтов. К взаимной пользе живущих совместно с другими организмами.

Архебактерии разделяются на три группы:

Метаногены Биологическое образование метана осуществляется только архебактериями. Метаногены относятся к строгим анаэробам и быстр – есть палочки, кокки, плоские угловатые формы, спириллы. Метанообразование происходит в почве. Некоторые метанобразующие архей входят в состав кишечной микрофлоры, живут в рубцах жвачных. Образуют витамин В₁₂ и снабжают им хозяев. Метанобразующие бактерии часто являются симбионтами простейших и человека.

Экстремальные галлофилы представлены небольшой группой архебактерий(галобактерий), развивающихся в рассолах при содержании соли не менее 10%. К ним относятся Halococcus, Haloarcula, Halobacterium.

Галобактерии развиваются в лагунах или соляных чеках, где испарение приводит к концентрации солей и сопутствующему этому накоплению органического вещества. При отсутствии кислорода и наличии света к этих архей происходит образование так называемых пурпурных или фиолетовых мембран – это участки, содержащие пигмент родопсин. Аналогичный родопсину человеческого глаза. В пурпурных мембранах за счёт энергии света происходит синтез АТФ, являющийся основным носителем энергии в клетках живых организмов. Клетки галлофилов содержат также красные каротиноидные пигменты, при их массовом развитии субстрат окрашивается в красный цвет.

Экстремальные термофилы представляют собой обитателей гидротерм и наиболее тесно связаны с эндогенными процессами в геосфере. Обитают исключительно в горячих источниках, на поверхности земли или на дне океана, обычно в зонах вулканической деятельности. Местом их обитания являются, в частности, окрестности глубоководных вулканических источниуов- «чёрных курильщиков», расположенных в океанах на тысячеметровых глубинах. Благодаря высокому давлению температура в них может достигать 200-300⁰ С. При взаимодействии воды источника с морской водой образуется тёмный осадок, источник как бы дымит. Отсюда происходит их название. Около таких источников развиваются экстремальные термофильные археи, некоторые из них растут даже при 100-120⁰ С. Это гипертермофилы Sulfolobus acidocaldarius.

На древней земле в начальные периоды эволюции, археи, видимо доминировали в биосфере и играли ведущую роль ведущую роль в биологических процессах трансформации элементов. В океанических глубинах около вулканических источников типа «чёрных курильщиков» могла развиваться жизнь, независимо от энергии солнца, возможность существования которой ещё недавно невозможно себе было представить. Влияние, которое оказали архебактерии на эволюцию жизни на Земле, трудно оценить. Сведения об этой группе живых организмов стремительно расширяются.

Лекция1.5 Вирусы. Общая характеристика. Основы классификации. Взаимодействие вирусов с клеточными организмами. Бактериофаги.

Общая характеристика

Вирусы представляют собой особую группу неклеточных форм жизни (царство Vira), обладающих собственным геномом, способных к воспроизведению в клетках всех видов организмов. Вирусы - наименьшие по размерам агенты, все они проходят через бактериальные фильтры, практически недоступны для изучения в световом микроскопе и лишены типичных метаболических и репродуктивных потенций, характерных для живых организмов. Вирусы - облигатные внутриклеточные паразиты, их репродуктивные процессы целиком зависят от состояния клетки-хозяина.

К вирусам относят паразитов животных и растений, к фагам – паразитов микроорганизмов (альго-, мико-, бактерио-, актинофаги).

Болезни, которые мы сейчас относим к вирусным, известны с глубокой древности. Эпидемия, описанная в X веке до нашей эры в Китае, очень напоминает оспу. В основе легенд о Летучем голландце и других кораблях, над которыми тяготело проклятье, лежала, возможно, жёлтая лихорадка, которая веками господствовала в тропической Африке и косила судовые команды африканских торговых кораблей. Вирусные болезни растений, такие, как скручивание листьев картофеля и пёстролепестность тюльпанов, известны несколько столетий.

Первооткрывателем вирусов и основоположником вирусологии считают Д.И.Ивановского, невзирая на то, что в 1885 г Шамберлан, Ру, Тюилье и Пастер разработали вакцину против бешенства, а Дженнер ещё в конце 17 века получил первую противовирусную (противооспенную вакцину). Но отсчёт вирусологии как науки ведётся от 12 февраля 1892 года - даты сообщения Д.И.Ивановского в академии наук об открытии "табачной мозаики", сделанном на Одесской бактериологической станции, руководимой Н.Ф.Гамалеей. Он сообщил о возможности переноса мозаики табака соком, пропущенным через бактериальные фильтры и назвал возбудителей этой болезни фильтрующимся вирусом.

Вирус табачной мозаики (ВТМ) в 1935 г. был получен У. Стенли в кристаллической форме. Лишь немногие оценили тогда важность открытия, потребовалось 6 лет (до открытия Лёффлером и Фрошем возбудителя ящура) для всеобщего принятия концепции о наличии фильтрующихся ультрамелких инфекционных частиц. Особый интерес всестороннему их изучению придало открытие онкогенных вирусов и бактериофагов. Однако длительное время развитию вирусологии препятствовало отсутствие адекватных моделей и методов изучения возбудителей, исследования ограничивались моделированием вирусных инфекций на лабораторных животных. Исследования Бернета (1933) и других учёных заложили основы культивирования вирусов в эмбрионах кур, что позволило позднее перейти к использованию и других тканевых моделей. В настоящее время вирусология - одна из наиболее интенсивно развивающихся медико-биологических наук. Интерес к ней обусловлен, во первых, ведущей ролью вирусов в инфекционной патологии человека и животных, их удельный вес возрастает по мере снижения заболеваемости бактериальными, грибковыми и протозойными инфекциями на фоне практически полного отсутствия средств специфической химиотерапии. Во-вторых, на моделях вирусов (как наиболее просто организованных формах жизни) разрешают многие фундаментальные вопросы биологии (например, об интронах, сплайсинге или онкогенах). Одним из крупнейших вкладов вирусологии в современную науку считают открытие обратной транскриптазы, использование которой лежит в основе генной инженерии.

Основные свойства вирусов

1. Все вирусы существуют в двух качественно различных формах: внеклеточной (вирион) и внутриклеточной (вирус). Вирионы вирусов могут быть разной формы и размеров. От бактерий их отличает прежде всего простота строения. Вирусы состоят лишь из нуклеиновой кислоты, окружённой как бы защитным белковым футляром вроде скорлупы или контейнера. Всё это вместе взятое бывает ещё заключено во внешнюю оболочку из белков и некоторых других веществ. 2.Любая вирусная частица содержит нуклеоид, включающий только один тип нуклеиновых кислот (ДНК или РНК) и окружённый защитной протеиновой или смешанной (из протеинов и липидов) оболочкой. Наиболее простой вирусный геном кодирует 3-4 белка, наиболее сложный - более 50 белков, в том числе и ферментов. Вирусы содержат всегда лишь одну из двух кислот: РНК либо ДНК. По этому признаку их отличают от риккетсий – болезнетворных внутриклеточных паразитов, которые подобно вирусам, размножаются только в клетках хозяина и по своей величине стоят между вирусными частицами и бактериями.

Вирусные частицы или вирионы, у каждого вируса имеют свою характерную форму. Представления об их внешнем виде и физической структуре (архитектонике) развивались постепенно благодаря прогрессу электронной микроскопии.

Нуклеиновые кислоты вирусов «обёрнуты» в белковый футляр с учётом величайшей экономии. Этот метод упаковки должен быть одновременно целесообразным, с точки зрения потребностей данного вируса, чтобы позволить ему проникнуть в клетку, поскольку только в ней вирус и может размножаться.

Такая экономичная эффективность необходима уже потому, что вирус, учитывая относительно малую величину молекулы нуклеиновой кислоты, в которой закодирована его генетическая информация, не может позволить себе роскошь накапливать ненужные данные. Вирусологи и ранее предполагали, что материал оболочки обязательно должен состоять из одинаковых (стандартных) структурных единиц-белков, специфичных. Однако, для каждого вида вируса Электронная микроскопия подтвердила это предположение.

Размеры вирусов варьируют в пределах примерно от 20 до 350 нм, что в среднем в сто раз меньше бактерий.

Одним из самых мелких вирусов является вирус полиомиелита (около20 нм), одним из самых крупных - натуральной оспы (около 350 нм). Размеры вирусов определяют с помощью электронной микроскопии, методом ультрафильтрации через фильтры с известным диаметром пор, методом ультрацентрифугирования.

Вирусы, имеющие форму шара, разделяются на мелкие вирусы (до 50 нанометров в диаметре), вирусы средней величины (50-150 нанометров) и крупные (150-300 нанометров). Самые крупные вирусы – родственники вируса оспы, их кирпичеобразные вирионы могут достигать длины 450, ширины и толщины 260 нм. Объекты такой величины уже находятся на пороге разрешающей способности светооптического микроскопа.

Электронная микроскопия показала, что вирионы по своей форме бывают нескольких основных типов – палочковидные, нитевидные, сферические, цилиндрические. Самые простые напоминают правильные геометрические тела. Белковая оболочка почти всегда приближается к форме икосаэдра (правильного двадцатигранника) с гранями из равносторонних треугольников с двенадцатью вершинами. Иногда эти вирионы называют кубическими.

Белковый контейнер вируса или капсид, окружает сердцевину вируса, которая состоит из молекулы нуклеиновой кислоты, часто скрученной в клубок. Капсид и сердцевину, вместе взятые, называют нуклеокапсидом. Икосаэдрический вирион был, например, выявлен у вируса полиомиелита.

Частицы некоторых вирусов имеют форму продолговатых палочек. Их нуклеиновая кислота окружена цилиндрическим капсидом. Такие вирионы называются спиральными, к ним относятся вирус табачной мозаики и бактериофаг М 13.

Вирусы более сложного строения имеют ещё и внешнюю оболочку. Она состоит из белков, причём некоторые из них ферментативного характера, а, кроме того, содержат вещества типа сахаров и жиров. Например, вирус герпеса заключён в сферическую оболочку.

Особенности строения заражаемой клетки – один из факторов, от которых зависит форма вируса. Так, бактерии и растительные клетки помимо цитоплазматической мембраны окружены довольно плотными и прочными стенками, преодолеть которые серьёзная проблема. Многие фаги решают её при помощи специального приспособления, несколько напоминающего шприц. Отсюда их излюбленная форма, в которой хвостовой отросток выполняет роль иглы. Вирусам растений часто помогают пройти сквозь стенку механические повреждения, наносимые насекомыми.

3. Вирусы поражают практически все живые организмы - бактерии, грибы, растения, животных и человека.

В зависимости от природы хозяев вирусы принято подразделять на вирусы растений, вирусы животных и вирусы бактерий (бактериофаги). Но даже такое общее подразделение не свободно от противоречий. Вирусы растений, например, могут размножаться в насекомых-переносчиках. Каждый вирус имеет определённый круг хозяев - более или менее родственных организмов, в которых он может репродуцироваться. Поскольку вирусы были открыты как патогенные агенты, логично подразделять их по принципу "основного хозяина", т.е. хозяина, у которого аномалии, связанные с этим вирусом, были обнаружены впервые.

Взаимодействие вирусов с клеточными организмами

Взаимодействие вируса с клеткой представляет собой сложный многоступенчатый процесс, который во всех случаях начинается с адсорбции вирионов на рецепторах клеточного организма. Однако дальнейшее течение данного процесса может происходить по-разному, в зависимости от сопутствующих условий. Известны три основных типа взаимодействия вируса с клеткой: 1) продуктивный тип, завершающийся образованием многочисленного потомства - новых вирусных частиц; 2) абортивный тип, когда репродукции вирусов не происходит, поскольку инфекционный процесс прерывается на одном из этапов взаимодействия с клеткой; 3) интегративный тип, или вирогения, характеризующийся встраиванием вирусной нуклеиновой кислоты в хромосому клетки хозяина.

Продуктивный тип взаимодействия (репродукция вирусов). Репродукция вирусов происходит путем проникновения их в клетку, репликации нуклеиновой кислоты и синтеза их белков с использованием генетического и белоксинтезирующего аппарата клетки с последующей самосборкой вириона. Этот процесс происходит в различных частях клетки - цитоплазме, рибосомах, ядре, вследствие чего получил название дизъюнктивного, т. е. разобщенного размножения.

Репродукция вирусов осуществляется в несколько стадий, последовательно сменяющих друг друга:

1. Адсорбция вириона на клетке;

2. Проникновение вириона в клетку хозяина;

3. “Раздевание” вирионов;

4. Биосинтез вирусных компонентов в клетке;

5. Формирование (сборка) вирусных частиц;

6. Выход вирусного потомства из клетки

1) Адсорбция вируса на поверхности восприимчивой клетки реализуется через взаимодействие со специфическими поверхностными рецепторами. Подобные рецепторы имеются у многих клеток (например у эритроцитов). Это свойство используют для идентификации многих возбудителей. Процесс адсорбции не зависит от температуры и протекает в две фазы: 1 - ионное притяжение между вирусом и клеткой, взаимодействие носит неспецифический характер. 2- физическое прикрепление вирусной частицы к соответствующему поверхностному рецептору, процесс обусловлен структурной гомологией либо комплементарностью специфических рецепторов.

На процесс адсорбции существенное влияние оказывает тканевая специфичность.

2) Пенетрация (проникновение) в клетку. После завершения этапа адсорбции вирус проникает в клетку, где происходит частичная депротеинизация вирионов и модификация их нуклеопротеида (раздевание). Модифицированные частицы теряют инфекционные свойства и ряд других признаков, специфичных для отдельных групп вирусов.

Процесс зависит от температуры и может протекать по двум путям:

- проникновение вируса может осуществляться через слияние мембран вируса и клетки, в результате чего внутренние структуры вируса оказываются в цитоплазме заражённых клеток, а вирусные оболочки - на поверхности клеток.

Другой путь - проникновение вирусных частиц посредством пиноцитоза. Затем происходит образование вакуоли вокруг вируса, попавшего в цитоплазму. Кислая среда обусловливает слияние вирусной оболочки и мембраны эндосомы, в результате чего нуклеокапсид проникает в цитоплазму.

3)“Раздевание” вирионов - заключается в удалении защитных вирусных оболочек и освобождении вирусной нуклеиновой кислоты. “Раздевание вирусов происходит постепенно, в несколько этапов, каждый из которых проходит в определенных участках цитоплазмы и ядра клетки хозяина. Этот процесс проходит с использованием набора клеточных ферментов. Конечным продуктом “раздевания” вирусных частиц является нуклеиновая кислота. После депротеинизации вирусы невозможно выделить из культуры клеток, этот этап репродукции известен как фаза э΄клипса. Термини э΄клипс (от первичной пенетрации до появления первого вириона нового поколения) взят из астрономии – затмение Солнца или Луны; Он требует энергетических затрат и не происходит при температуре 0-4⁰С (исключая вирус гриппа). Фаза заканчивается одновременно с процессом сборки.

4) Синтез вирусных частиц (стадия созревания вирусных частиц) включает образование посредством трансляции нуклеиновых кислот вирусспецифических белков. Реализация генетической информации вирусной нуклеиновой кислоты осуществляется в соответствии с общеизвестными в биологии процессами, трансляции и репликация. Белки синтезируются в цитоплазме, а место сборки генома вирусов может быть различным. Обычно первыми образуются продукты, регулирующие репродукцию - ферменты и регуляторные белки. Позднее синтезируются белки, обеспечивающие сборку дочерних популяций, их синтез включает несколько этапов, специфичных для различных вирусов.

5) Сборка вирусных частиц - состоит прежде всего в образовании нуклеокапсидов. Синтезированные вирусные нуклеиновые кислоты и белки обладают способностью специфически узнавать друг друга и при достаточной их концентрации самопроизвольно соединятся в результате гидрофобных, водородных и ионных взаимодействий.

6) стадия выхода размножившегося вируса из инфицированной клетки - высвобождение дочерних вирионов.

Продолжительность осуществления полного цикла репродукции вирусов, варьирует от 5 - 6 часов (вирус гриппа) до нескольких суток (вирус кори). Образовавшиеся вирусы способны инфицировать новые клетки.

Интегративный тип взаимодействия вируса с клеткой - интеграция вирусной нуклеиновой кислоты в клеточный геном (вирогения). Интегративный тип взаимодействия (вирогения) характеризуется встраиванием нуклеиновой кислоты вируса в хромосому клетки. При этом вирусный геном реплицируется и функционирует как составная часть клеточного генома. Интеграция вирусного генетического материала с ДНК клетки характерна для определенных групп вирусов: онкогенных (опухолеродных) вирусов, бактериофагов, вирусов герпеса, гепатита, аденовирусов, ВИЧ и др.

Наиболее типичные примеры подобного взаимодействия - лизогения бактерий и вирусная трансформация клеток.

Некоторые ДНК-вирусы и ретровирусы вызывают латентные инфекции поражённых клеток, при этом вирусная ДНК персистирует как экстрахромосомный элемент либо интегрируется в геном клетки и реплицируется параллельно с хромосомами. Типичный пример латентной инфекции - герпетические инфекции с характерными периодическими реактивациями процесса. В случае ретровирусов латентные инфекции могут вызывать трансформацию клеток и индуцировать начало злокачественного роста.

Некоторые РНК-вирусы вызывают персистирующие инфекции, характеризуются постепенным выделением вирусных частиц, что не сопровождается гибелью клетки, иногда они протекают без клинических проявлений. В частности, вирус гепетита В способен вызывать персистирующие поражения с развитием хронического гепатита и часто опухолей печени.

Интеграция вирусной нуклеиновой кислоты с ДНК клетки имеет большой биологический смысл, который прежде всего заключается в сохранении вирусной информации в составе клеточного генома и ее передаче потомству. Вместе с тем такой механизм взаимодействия в определенной степени отражается и на эволюции клеточных организмов и вирусов, которые при выщеплении из клеточной хромосомы могут захватывать отдельные гены и переносить их в геном других организмов.

Таким образом, вирусы не способны к собственному обмену веществ. Но это вовсе не мешает их биологическому существованию. Они отлично используют обмен веществ поражённой клетки, обмен, представляющий ее собственное прирождённое свойство. В клетке хозяина вирусные нуклеиновые кислоты реплицируются, не подчиняясь клеточному расписанию, а вирусные белки синтезируются, хотя и на клеточном оборудовании, но по собственному расписанию. Более того, структурная примитивность позволяет вирусной частице годами оставаться в клетке в состоянии подавленной, латентной жизни.

Несмотря на чрезвычайно простое строение в сравнении с живой клеткой, он совершеннейшим образом использует имеющиеся в клетке условия и мобилизует в свою пользу весь её механизм. Размножение вируса может заканчиваться гибелью клетки. Но некоторые вирусы ведут себя более расчётливо. Они не убивают клетку, обеспечивающую им «хлеб и кров». А находят способ для относительно мирного с ней существования. Развивается хронический инфекционный процесс, при котором "и волки сыты и овцы целы", хотя и не вполне здоровы.

Сосуществование с вирусом не обходится бесследно для клетки. Свойства её могут драматически меняться под влиянием хозяйничающих в ней вирусных белков. В некоторых случаях заражённая клетка становится раковой.

Вирусы и рак

Вирусы вызывают рак у многих групп животных. Эти вирусы имеют фермент – обратную транскриптазу, которая синтезирует комплементарную ДНК на РНК вируса. Затем двухцепочечный фрагмент ДНК встраивается в хромосому клетки хозяина, вызывая злокачественные опухоли или лейкемии у млекопитающих, птиц и рептилий.

Изучая вирус саркомы Рауса (ретровируса, вызывающего опухоли цыплят), учёные обнаружили онкогены, которые, вмешиваясь в регуляцию жизнедеятельности клетки, вызывают рак. Онкогены присутствуют и в здоровых клетках, но, изменяясь под действием мутагенных веществ (например, сигаретного дыма), приводят к образованию злокачественных опухолей.

Помимо ретровирусов существует группа ДНК-содержащих герпесвирусов (вирусы Эпштейна – Барр), вызывающие два типа рака у человека. Эти же вирусы являются причиной инфекционного мононуклеоза.

Вирусы животных

Среди беспозвоночных вирусные болезни обнаружены только у насекомых, моллюсков. Следует, однако, иметь в виду, что насекомые - экономически важный и потому наиболее тщательно изученный класс беспозвоночных.

Известны вирусные заболевания у рыб (оспа карпа, вирусные опухоли) и амфибий (опухоль почки леопардовой лягушки). Описано много вирусных заболеваний у птиц. Некоторые из них очень важны в экономическом отношении. Онкогенные вирусные заболевания у птиц (саркомы и лейкозы) служат излюбленной моделью при изучении роли вирусов в этиологии опухолей.

Среди млекопитающих вирусные болезни обнаружены у большинства домашних и многих диких животных. У человека вирусными являются такие важные в эпидемиологическом отношении заболевания, как оспа, желтая лихорадка, полиомиелит, корь, свинка, бешенство и различные энцефалиты.

Идентифицировать вирусный агент можно по симптомам, наблюдаемым на уровне организма, ткани или клеток и в особенности по иммунологической реакции организма.

Удобной системой для индукции локальных поражений является мембрана куриного эмбриона. Суспензия вируса, нанесённая на эту мембрану, может распространяться на соседние клетки только контактным способом, образуя локальные зоны поражения типа оспин, форма которых очень характерна для данного вируса. Ещё более полезными для выявления вирусов оказались однослойные культуры клеток. Если после инокуляции вируса на слой клеток нанести смесь питательной среды с раствором затвердевающего затем агара, размножение вируса будет ограничено контактирующими друг с другом клетками, в результате чего образуются четко отделённые друг от друга бляшки, характер локальной реакции культуры зависит как от вируса, так и от клеток. Например, опухолеродные вирусы образуют в культуре не бляшки, а очаги клеточной пролиферации. Используемые клетки должны обладать чувствительностью к вирусу, которая определяется либо генетическими факторами, либо стадией развития ткани, из которой получены клетки.

Вирусы растений

У голосеменных растений, папоротников, грибов и водорослей пока обнаружено относительно немного вирусов. Напротив, цветковые растения служат хозяевами для многих типов вирусов. Вирусы растительных клеток вызывают у растений множество заболеваний. Эти вирусы попадают внутрь растительных клеток через повреждения, а не в результате активного внедрения. В естественных условиях распространение многих вирусов происходит путем прямого контакта растений или через переносчиков. Переносчиками многих вирусов служат насекомые. По ущербу, причиняемому экономически важным культурам, в том числе картофелю, свёкле, табаку, сахарному тростнику, кокосовой пальме и плодовым культурам, вирусы уступают только патогенным грибам.

Наиболее распространённым типом локальных поражений являются некротические поражения, обычно имеющие вид пятен характерной формы, вокруг которых часто образуется кольцо или ореол. Образование таких дискретных очагов поражений является результатом крайне быстрой гибели заражённых клеток, благодаря чему некротический участок остаётся локализованным, вирус далее не распространяется, и растение выживает.

Часто локальные очаги вирусной инфекции можно обнаружить и в случаях отсутствия некротических поражений. Вирусная инфекция проявляется у растений самыми разнообразными симптомами: хлороз, мозаичность, полосатость, желтуха, кольцевая пятнистость, хрупкость цветков и скручивание листьев. Некоторые вирусы растений вызывают специфические пролиферативные заболевания. Так, вирус раневой опухоли вызывает множественные опухоли в местах, где растение было травмировано.

Некоторые вирусы передаются от одного хозяина к другому только членистоногими переносчиками. Вирус попадает в организм переносчика во время питания заражённым растением, а затем переносится в чувствительную ткань растения-реципиента.

Вирусы бактерий - бактериофаги

Фаги описаны Туортом и Д`Эррелом независимо друг от друга. Бактериофаги состоят из головки и хвостового отростка, которым он прикрепляется к клетке – хозяину. Через этот отросток в клетку вводится фаговая ДНК по типу шприца. Количество вновь синтезируемых в одной клетке вирусных частиц может достигать нескольких сотен.

Главным симптомом действия фага на чувствительные бактерии является лизис, т.е. растворение бактериальных клеток, сопровождающееся выходом в среду новых вирионов фага. При заражении бактерий фагом иногда наблюдается неполный лизис. Причинами его могут быть: 1) прекращение роста бактерий из-за истощения питательной среды, поскольку фаги способны размножаться только в бактериальных клетках с активным метаболизмом, 2) наличие в культуре клеток, обладающих генетической устойчивостью к данному фагу, или 3) лизогения, т.е. переход бактериальной клетки в состояние, при котором она становится носителем генома фага и приобретает иммунитет к лизису в случае повторного заражения этим фагом.

Если фаг не вызывает гибели бактериальной клетки, но передаётся при делении из одной клетки в другую, то он называется умеренным. А носящие его бактерии лизогенными. Явление фагоносительства или лизогении было описано одним из основоположников учения о бактериофагах Д`Эррелом. Он считал, что культуры загрязняются фагом извне. Они называются лизогенными, состоят из устойчивых и чувствительных к определённому фагу клеток. Если происходит ослабление клетки бактерии, то фаг, находящийся в ней, может вызвать её гибель.

Позднее выяснилось, что в лизогенной бактерии фаги передаются по наследству в латентном состоянии (профаги). Ведущую роль в изучении лизогении играла бактерия E. coli. В одном из штаммов, являвшихся лизогенным, был обнаружен умеренный фаг. Он был назван лямбда λ. Это штамм, на котором Франсуа Жакоб и Элие Вольман проводили исследования по индукции лямбда-репрессора и по встраиванию лямбда ДНК в хромосому хозяина. Таким образом E. coli и λ мы обязаны исследованиям, которые привели к открытию контролируемой хозяином модификации и рестрикции бактериофагов и, таким образом, создали предпосылки для развития а 1972 году техники рекомбинаций ДНК.

Фаги специфичны. Специфичность фагов в отношении хозяина обычно соответствует таксономическим группам бактерий. Так фаги, поражающие микрококки, не размножаются в стрептококках, а фаги кишечных бактерий не размножаются в псевдомонадах. Однако в тех случаях, когда классификационные границы, например границы между родами и видами бактерий, четко не установлены, специфичность фага может быть либо шире, либо уже условно установленных классификационных групп. Так, один какой-либо фаг может размножаться только в клетках определённого штамма Escherichia coli, тогда как другой репродуцируется в клетках многих штаммов этого рода. Свойство фагов поражать определённые виды клеток используется для систематики бактерий.

Бактериофаги и их бактерии-хозяева - это те объекты, на которых были открыты репарация ДНК и индукция репаративных ферментов. Опыты по реактивации фагов клетками хозяина и индукции восстанавливающих систем подтвердили наличие восстановительных механизмов, которые имеются в распоряжении живой клетки, и подготовили понимание собственной способности большинства организмов преодолевать эндо- или экзогенные повреждения ДНК через механизмы восстановления. "Природа пользуется паяльником", как это выразил Г Стент.

Если количество бактерий на поверхности чашки с агаром достаточно для образования сплошного слоя, то нанесение надлежащего количества фага ведёт к образованию локальных участков лизиса - стерильных пятен, или "бляшек". Образуемая фагом бляшка может содержать 10⁷ -10⁹ вирионов и может служить источником чистой линии фага. Размер бляшек зависит от размера вирионов фага, а также от скорости репликации фага, скорости освобождения вирионов фага из клеток и их адсорбции на поверхности новой, незаражённой бактериальной клетки. Морфология бляшки обычно характерна для данного фага. При волнообразном изменении скорости роста бактерий возможно появление кольцеобразных бляшек. Образование ферментов, обладающих способностью атаковать капсулу бактерий, может привести к возникновению ореолов вокруг бляшек.

Культивирование вирусов. Культивирование вирусов проводят с целью получения диагностических и вакцинных препаратов, для лабораторной диагностики вирусных инфекций, в научно-исследовательской работе при изучении разнообразных вопросов иммунитета и генетики. Так как вирусы являются абсолютными паразитами, то их культивируют или на уровне живых клеток, выращиваемых вне организма, или на уровне организма. Биологическими моделями для выращивания вирусов служат лабораторные животные, развивающиеся куриные эмбрионы и культуры клеток.

О наличии и размножении вирусов в культуре клеток судят по данным ряда косвенных методов, которые основаны на визуально определяемых результатах их деятельности: 1) образованию бляшек; 2) образованию в клетках включений; 3) цитопатическому эффекту; 4) цветной реакции с продуктами метаболизма; 5) феномену гемадсорбции.

Образование бляшек или “негативных” колоний (участков разрушенных вирусами клеток) происходит при культивировании вирусов в однослойных клеточных культурах, покрытых тонким слоем агара. Бляшки, образуемые разными вирусами отличаются по величине, форме, времени появления, поэтому феномен бляшкообразования используют для дифференциации вирусов.

Включения представляют собой скопления вирусных частиц, вирусных белков или клеточного материала, обнаруживаемых в ядре или цитоплазме при специальных методах окраски.

Цитопатический эффект - видимые под микроскопом морфологические изменения клеток, вплоть до их гибели, возникающие в результате повреждающего действия вирусов.

“Цветная” реакция основана на разнице в цвете питательной среды с индикатором, используемой для выращивания культур клеток. При росте клеток, не пораженных вирусом, происходит накопление продуктов метаболизма, что приводит к изменению цвета питательной среды. При репродукции вирусов в культуре нарушается нормальный метаболизм клеток и среда сохраняет нормальный цвет.

Феномен гемадсорбции заключается в способности клеточных культур, зараженных вирусом, адсорбировать на своей поверхности эритроциты. Многие вирусы обладают гемадсорбирующими свойствами. Механизмы гемадсорбции и гемагглютинации сходны.

Классификация вирусов

В основу классификации вирусов положены следующие категории и свойства:

• Тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК);

• Структура нуклеиновой кислоты (количество нитей, процентное содержание в вирионе, особенности воспроизводства вирусного генома);

• Размеры и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии;

• Наличие суперкапсида;

• Особенности репродукции в клетке хозяина;

• Антигенные свойства;

• Чувствительность к отдельным химическим соединениям (эфиру, дезоксихолату).

Вирусы составляют царство Vira, которое подразделено по типу нуклеиновой кислоты на два подцарства или класса - рибовирусы (РНК-содержащие вирусы) и дезоксирибовирусы (ДНК-содержащие вирусы). В вирусологии используют следующие таксономические категории: семей-ство (название оканчивается на viridae), подсемейство (название оканчивается на virinae), род (название оканчивается на virus). Однако названия родов и особенно подсемейств сформулированы не для всех вирусов. В настоящее время вирусы человека и животных включены в состав 18 семейств.

Номенклатура Вирусы обычно называют в соответствии с вызываемыми заболеваниями (например, вирус герпеса) либо по названию места, где они были впервые выделены (например, вирусы Коксаки, вирус Норволк). Реже используются фамилии учёных, впервые их выделевших (Эпстайна - Барр), либо название отражает их уникальные эпидемиологические характеристики (например, арбовирусы).

Кроме обычных вирусов, известны и так называемые неканонические вирусы - прионы и вироиды. Прионы представляют собой белковые инфекционные частицы, которые устойчивы к процессам инактивации ДНК и РНК. Они имеют вид фибрилл толщиной 10-20 и длиной 100-200 нм. Прионы являются одновременно индукторами и продуктами автономного гена человека и животных, вызывая у них энцефалопатии в условиях вяло текущей инфекции. Прионовые белки выделены как инфекционное начало скрэпи, куру, спонгиоформной энцефалопатии КРС (коровье бешенство).

Среди болезней человека наиболее изученными являются куру, болезнь Кройтцфельдта-Якоба и синдром Герстмана-Страусслера-Шайнкера. Это медленные инфекции, вызывающие в основном заболевания центральной нервной системы. Из-за длительного инкубационного периода ими болеют в основном пожилые люди. Эти патологии объединены в группу старческих энцефалопатий. Смертность от медленных инфекций составляет 100%. Существует мнение, что возбудитель коровьего бешенства является разновидностью инфекционного агента болезни Кройтцфельдта-Якоба. К настоящему времени выявлено более 15 случаев ЭКРС у человека. Большую известность прионы получили благодаря эпидемии трансмиссивной спонгиозной энцефалопатии коров (бешенство коров) в Англии. Аналогичное заболевание - куру, возникающее в результате употребления мозга умерших соплеменников во время ритуального каннибализма, регистрируется в одном из племен Папуа-Новой Гвинеи.

Другими необычными агентами, близкими к вирусам, являются вироиды - небольшие, не содержащие белка, молекулы кольцевой, суперспирализованной РНК, вызывающие заболевания у растений, например, веретёновидность клубней картофеля.

Экологический диапазон распространения

Поступление вирусов в наземные экосистемы происходит с бытовыми и сельскохозяйственными стоками, шламами из отстойников и твёрдыми отходами. Концентрация вирусов в неочищенных стоках в среднем составляет 10⁴ инфекционных единиц на литр. Существующие способы очистки воды позволяют только частично удалить или инактивировать их популяции. Практикуемые способы переработки шлама (гнилостное разложение и высушивание, компостирование) не ведут к полному удалению вирусов. Патогенные для человека вирусы в хорошо увлажнённой почве переживают самое меньшее 11, а зимой более 170 дней. Они могут встречаться в овощах (огурцах, редисе, редьке) и накапливаться в почве вблизи корней или непосредственно на них.

Для вирусов исключены какие-либо процессы развития в абиотической среде и по сравнению с другими микроорганизмами они обладают широкой физиологической толерантностью. Низкие и даже экстремально низкие температуры обеспечивают целостность вирионов и почти неограниченную их персистенцию. Повышение Т⁰ нарушает строение вирусного капсида и четвертичную структуру генома. Дефицит влаги отрицательно сказывается на персистенции вирусов. Постоянное промачивание значительно ускоряет вертикальную миграцию. Вирусы устойчивы к прямому воздействию видимого света. УФ излучение инактивирует вирусы в диапазоне длин волн 240-280 нм. Ионизирующее излучение разрушает все ковалентные связи и приводит к полному распаду генома вирусов. Доза облучения, инактивирующая вирусы, различна для разных их видов. Мелкие голые вирусы отличаются наибольшей стабильностью. В целом вирусы значительно более устойчивы к облучению, чем бактерии и грибы.

Под воздействием ветра на водных поверхностях образуются аэрозоли, в которых концентрация вирусов повышается в 10-100 раз. В составе аэрозолей вирусы могут персистироваться по меньшей мере 24 часа и в зависимости от силы и направления ветра переноситься на дальние расстояния. Голые вирусы стабильны в относительно широком диапазоне рН, устойчивы к органическим растворителям, тогда как одетые внешней оболочкой вирусы (например, гриппа) в неблагоприятных условиях быстро инактивируются.

Происхождение вирусов

Из-за относительной простоты структуры можно ошибочно предположить, что вирусы произошли от первых самовоспроизводящихся структур, от которых ведут своё начало первые клетки. Ясно, что это не так, поскольку вирусы существуют только благодаря своей уникальной способности размножаться внутри клетки-хозяина. Они конкурируют с нуклеиновыми кислотами заражённых клеток, направляя их генетическую и метаболическую активность на образование новых вирусных частиц. Вирусы должны были возникнуть только после клеток, когда уже образовался и стабилизировался генетический код.

Наиболее приемлемой является гипотеза о том, что вирусы произошли от “беглой” нуклеиновой кислоты, т. е. нуклеиновой кислоты, которая приобрела способность реплицироваться независимо от той клетки, из которой возникла. При этом подразумевается, что такая ДНК реплицируется с паразитическим использованием структур этой или родственных клеток. Таким образом, вирусы, вероятнее всего, произошли от клеточных организмов, и их не следует рассматривать в качестве примитивных предшественников клеточных организмов.

В значительной степени вирусы подобны бактериальным хромосомам или плазмидам, или молекулам мРНК. Случайно проникают в клетки, где могут повлиять на генетические процессы. Размножаясь и переходя от одной клетки к другой, эти фрагменты продолжают своё существование. Одеваясь защитной белковой оболочкой, они становятся вирусами. Полагают, что самые крупные и сложноорганизованные поксивирусы произошли от бактерий. Возможно, что вирусы возникли независимыми путями около 3 млрд. лет назад. Весьма вероятно, что новые типы вирусов образуются и в настоящее время из генома бактерий и эукариот.

Лекция 2.1 Химический состав микроорганизмов. Питательные среды, используемые для выращивания микроорганизмов, их общая характеристика и компонентный состав

Химический состав микроорганизмов

Изучение химического состава микроорганизмов даёт важные сведения для познания механизмов их жизнедеятельности и процессов обмена веществ. Несмотря на внешнюю простоту строения, химизм микробов представляется весьма сложным. Биохимические процессы, а следовательно, и химический состав у различных бактерий не одинаковы. Даже у одного и того же вида характер обмена веществ ми состав клетки будут меняться в зависимости от её физиологического состояния и условий существования.

Вода. Содержание воды у различных микробов в среднем колеблется от 75 до 85%.

Минеральные вещества. Общее содержание минеральных веществ у микроорганизмов колеблется от 2 до 14%, от веса сухой клетки. Основными элементами минеральных веществ являются: фосфор; натрий; калий; кальций; магний; железо; медь; кремний; сера; хлор.

Фосфор обнаруживается в количестве от 19 до 45%, в отдельных случаях достигает 75%.

Натрий. Влияет на осмотическое состояние клетки.

Сера. Принимает участие в процессах дыхания дыхания и входит в состав некоторых аминокислот (цистеина, метионина), витаминов.

Железо играет важную роль в функционировании ряда дыхательных ферментов (каталаза, пероксидаза).

Магний является катализатором процессов синтеза.

Нуклеиновые кислоты. РНК, в среднем 10% от сухого веса, ДНК – 3-4%.

Белки представляют собой наиболее распространённые органическийе соединения клетки (от 30 до 70%) массы сухих веществ.

Углеводы. Основная масса углеводов представляет собой полисахариды, распадающиеся при гидролизе на простые сахара. В составе микробной клетки их от 12 до 28%.

Липиды. Соединения биологической природы, растворимые в неполярных растворителях(бензоле, хлороформе, эфире) Их количество колеблется от 0,2 до 41%.

Питательные среды, используемые для выращивания микроорганизмов, их общая характеристика и компонентный состав

Питательные среды, используемые для выращивания микроорганизмов, их общая характеристика и компонентный состав.

Микроорганизмам для нормального роста, развития и размножения необходим комплекс питательных, веществ, позволяющий поддерживать в рабочем состоянии все структурные компоненты и функциональную активность микробной клетки. Поэтому в микробиологии в целом и биотехнологии в частности успехи в культивировании микроорганизмов в значительной степени определяются знанием их физиолого-биохимических особенностей и подбором питательных сред.

Питательные среды применяют при выращивании микроорганизмов и выделении их в чистой культуре, при получении биотехнологическими методами различных микробных препаратов (антибиотиков, вакцин, аминокислот, биостимуляторов, витаминов и т.д.) и изучении свойств микробов. Состав питательных сред и условия культивирования микроорганизмов в значительной степени определяют результаты микробиологических исследований.

Для построения белков клетки требуется азот, углерод, водород, кислород. Снабжение водородом и кислородом осуществляется за счет воды. Источники углерода многочисленны и многообразны. На первом месте стоят сахара, многоатомные спирты и кислоты. Углерод является также составной частью всех органических соединений, в том числе белков, пептонов, аминокислот. Поэтому в составе питательных сред специальные дополнительные источники углерода не нужны.

Основное внимание следует уделять источникам азота. Все искусственные питательные среды как самостоятельно изготавливаемые в лабораториях, так и" выпускаемые централизованно (сухие питательные среды), имеют в своей основе вещества, содержащие азот. В качестве азотистого субстрата для изготовления питательных сред служат в основном белки животного происхождения - мясо (преимущественно говяжье), рыба, мясокостная мука, казеин. В ряде случаев используются заменители полноценного мяса - отходы мясомолочной промышленности, плаценту, кровяные сгустки, а также дрожжи и белки растительного происхождения (соевые бобы, горох, ячмень и др.).

Микробам для нормального роста и развития нужны микроэлементы - небольшие количества некоторых металлов (железо, медь, марганец и др.). Микроэлементы участвуют в образовании коферментов, посредством которых сложные вещества подвергаются гидролизу до более простых и растворимых в воде соединений, ассимилируемых микробами. Не-органические вещества - соли, содержащие хлор, фосфор, натрий, калий, кальций, магний и некоторые другие элементы, нужны для построения и нормального функционирования различных структур микробной клетки. Ростовые вещества или "факторы роста", которыми в основном являются витамины группы В, играют важную роль стимуляторов и регуляторов обмена веществ у микробов.

Синтетическим питательными средами называются такие, которые состоят из растворов химически чистых соединений в точно установленных дозировках. В качестве источника азота обычно используют различные аминокислоты или аммонийные соли.

По консистенции питательные среды могут быть плотными, жидкими и полужидкими. Плотные среды готовят путем добавления к жидкой основе 1.5-2% агара, полужидкие 0.3-0.4% агара, который представляет собой сложный полисахарид - продукт переработки особого вида морских водорослей, и в застывшем состоянии придает среде плотность. Агар плавится при температуре 80-86°С и затвердевает при температуре около 40°С. В некоторый случаях для получения плотных питательных сред используют желатин (10-15%). Такие естественные среды, как свернутая сыворотка крови, свернутый яичный белок, сами по себе являются плотными.

По целевому назначении питательные среды делят на основные, элективные и дифференциально-диагностические. К основным относятся среды, применяемые для выращивания многих бактерий. По составу принято выделять естественные или натуральные среды неопределенного состава и синтетические среды, о которых уже говорилось выше. К основным средам, используемым в .микробиологии, относят триптические гидролизаты казеина, рыбных продуктов, мясокостной муки и др., из которых готовят жидкую среду - питательный бульон и плотную - питательный агар. Такие среды служат основой для приготовления более сложных: сахарных, кровяных, сывороточных и др., удовлетворяющих пищевой потребности более требовательных патогенных бактерий.

Элективные питательные среды предназначены для избирательного выделения и накопления микроорганизмов определенного вида в местах их естественного обитания из материалов, содержащих разнообразную постороннюю микрофлору. Создавая элективные (для определенных микробов) питательные среды, исходят из биологических особенностей, которые, отличают данные микроорганизмы от большинства других. Например, избирательный рост стафилококка наблюдается при повышенной концентрации хлорида натрия, холерного вибриона - в щелочной среде.

Дифференциально-диагностические питательные среды применяются для разграничения отдельных видов или групп микроорганизмов. Принцип построения дифференциально-диагностических сред основан на том, что равные виды бактерий различаются между собой по биохимической активности и имеют неодинаковый набор ферментов, расщепляющих субстраты, входящие в состав питательной среды. Компонентами дифференциально-диагностических сред являются: а) основная питательная среда, обеспечивающая размножение бактерий; б) определенный химический субстрат (например, лактоза в среде Эндо), различное отношение к которому является диагностическим признаком для микроорганизмов; в цветной индикатор (например, индикатор Андреде), изменение цвета которого свидетельствует о биохимической реакции и наличии данной ферментной системы у исследуемого микроорганизма. Дифференциально-диагностические среды широко используются в диагностических исследованиях для идентификации бактерий.

Реакция среды. Для роста разных видов микробов требуется определенная реакция среды, которая выражается показателем концентрации водородных ионов (рН). Для большинства бактерий устанавливают рН среды в пределах 6.8-8.0. Ориентировочную реакцию питательной среды можно устанавливать стандартной индикаторной бумагой. Чаще всего для ее изготовления используют индикатор крезоловый красный (диапазон изменения цвета смотри табл.1). Для более точного измерения среды используют рН-метр.

Для успешного роста микробов недостаточно правильно установить первоначальную реакцию питательной среды. Микроорганизмы в процессе роста образуют ряд кислот, что делает реакцию среды кислой и является основной причиной прекращения роста. Во избежание этого необходимо создать условия, препятствующие резкому изменению реакции среды. Отчасти препятствуют изменению рН азотистые вещества, имеющиеся в среде. Чем больше аминокислот в субстрате, тем большими буферными свойствами обладает среда. В настоящее время ко многим питательным смесям прибавляют еще фосфатные буферные смеси.

Индикаторы, меняющие свай цвет при изменении рН среды, используют не только для определения реакции среды. Их вводят также в состав специальных сред, которые служат для выявления биохимических свойств микробов. Изменение цвета среды указывает на образование кислоты или щелочи при ферментативной деятельности микробов. Известны индикаторы, приобретающие ту или иную окраску лишь при щелочной или кислой реакции, вне этой реакции они бесцветны. Так, среда, содержащая индикатор Андреде меняет свою интенсивную красную окраску при значениях рН=5.3-5.5, в случае подщелачивания среды, становится бесцветной - при рН=7.2. Фенолфталеин бесцветен при кислой реакции, а окраску приобретет з диапазоне рН=8.3-10.0.

Более удобны двухцветные индикаторы, имеющие разную окраску в кислой и щелочной среде. Наиболее широко распространены индикаторы Кларка. Они имеют различную окраску в кислой и щелочной среде. В средах, содержащих такие индикаторы, хорошо выражены переходные тона. Кроме того, диапазон чувствительности индикаторов Кларка весьма широк.