Микробные биоценозы в естественных водоемах

      Различают три типа технологических систем:

1.      cистемы, в которых оборудование встраивается в биосистему;

2.      cистемы, в которой биосистема встраивается в оборудование;

3.      естественно, могут быть и комбинированные технологические системы.

Следовательно, любой водоем, естественный или искусственный  приходится рассматривать как технологическую, в упомянутом смысле, систему (закрытую или открытую).   

 В  теоретической биологии,  и в биофизике и ряде других наук оперируют категориями удивительной упорядоченности биологических структур на всех уровнях, от макромолекулы до слона, что, в общем,  противоречит законам классической термодинамики. Для оценки целей и степени этой упорядоченности естественно использовать параметры главных связей биологических систем – трофических (энергетических) связей. Для этого  трансформируют законы термодинамики (ничего иного пока нет, если не выходить за пределы техники и технологии).       

 Биологическая система   – совокупность функционально связанных элементов или процессов, объединенных в целое для достижения биологически значимого результата  – получения приспособительного результата для ее биологической составляющей. Для этого открытая биологическая система обменивается с окружающей средой веществом и энергией.  В системах, в которых возможен обмен веществом и энергией, могут идти процессы  переходя из пространственно однородного состояния в боле  сложные пространственно неоднородные и или неоднородные во времени системы (изменения концентраций во времени или вдоль реактора), Процесс самопроизвольного формирования структуры, более сложной, чем первоначальна называется самоорганизацией. Процессами самоорганизации занимается новая наука – синергетика, которая отвечает на два вопроса: почему? и как? На первый вопрос отвечает термодинамика необратимых процессов (открытых систем); на второй – математический аппарат синергетики, пока окончательно не сформировавшийся.   

 Биоценоз и окружающая  его среда составляют технологическую  систему, для которой в целом  справедлив закон не убывания  энтропии (второй закон термодинамики). Вспомним, что энтропия (S ) определяется как натуральный логарифм статистического веса макросистемы (ω), умноженный на постоянную Больцмана (к). 

 

S = k ln ω 

 

 

    Статистический вес (ω) –  это число доступных квантовых  состояний для системы, находящейся  в данном  макросостоянии.   Энтропия здесь  является характеристикой порядка / беспорядка в системе.  

Упорядоченное состояние  системы – состояние, осуществляемое малым числом способов (энтропии упорядоченного состояния мала).    

Беспорядочное (случайное) состояние системы –  состояние, которое может реализоваться многим числом способов (энтропия беспорядочного состояния велика).    

 Энтропия, в свою очередь,  связана с количеством тепла,  получаемого системой (Q) и температурой (T): 

 

 

    для обратимого процесса ,                     d S = δ S / T, 

 

 

    для необратимого процесса,                 d S >  δ S / T,  за счет необратимости процесса.  

 

 

        Поскольку, в соответствии  со вторым законом термодинамики  все необратимые процессы идут  с увеличением энтропии, упорядочение  биологических систем, связанное  с уменьшением энтропии, идее  за счет увеличения энтропии  в других (неизолированных частях  системы).   

 Для биологических  систем энэргообмен  между подсистемами можно представить как образование сложных  молекул углеводов из CO ₂ и H ₂ O  с последующей деградацией продуктов фотосинтеза в процессах дыхания. В процессе фотосинтеза растения и микробы создают из углекислого газа и воды органические вещества, необходимые для построения их клеток и поддержания жизненных процессов:  

 

6 CO ₂ + 6 H ₂ O = C ₆ H ₁₂ O ₆ + 647 ккал тепла 

 

 

      Таким образом уменьшение энтропии  живых существ в процессе их жизнедеятельности (“противозаконный процесс”) в конечном итоге  обусловлено  поглощением квантов света фотосинтезирующими организмами, что компенсируется при их образовании в других участках внешней среды. Именно этот энергообмен  обеспечивает существование и развитие как отдельных организмов, звеньев и кругооборота энергии в природе вцелом. Изложенные фрагменты – основа различий в биоценозах природных вод.   

 Ккак это происходит может описать математический аппарат синергетики:  бифункциональный анализ, теория клеточных автоматов, дробное исчисление и др.,  примеры применения которых необходими при программировании конкретных приложений .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Антибиотики животного  происхождения, их действие.

 

Люди с древности сталкивались с инфекционными заболеваниями. Некоторые были не очень опасны, а некоторые убивали целые  деревни и города. При ослабленном  иммунитете даже не очень серьезные  ранения осложнялись гангреной, что приводило к ампутации  или смерти от заражения крови. Но в древности люди не знали, что  именно вызывает инфекционные болезни. О существовании микроорганизмов узнали только с изобретением микроскопа. С появлением крупных городов и развитием торговли появились благоприятные условия для эпидемий, особенно если в городах была антисанитария. Эти эпидемии уносили по всей Европе десятки тысяч человек, что наносило огромный ущерб обществу и тормозило развитии. Из-за гангрены гибло очень много раненных. В борьбе с инфекциями человечество несет невосполнимые потери. Если бы в начале XIX века медицина обладала современными препаратами, Александр Сергеевич Пушкин после дуэли с Дантесом остался бы жить. Зашить огнестрельную рану врачи могли уже в то время, предотвратить инфекционное поражение организма в результате ранения - нет. Если бы люди в 1904 году знали средство от болезнетворных бактерий, они сумели бы сохранить жизнь заболевшему туберкулезом Антону Павловичу Чехову. Этот грустный список можно продолжать бесконечно...

Антибиотики появились только в 20 века. Это одно из величайших достижений медицины. Болезни, от которых раньше умирали теперь можно было эффективно лечить.

Антибиотики (от греч. anti - против, bios - жизнь) - биологически активные вещества, образуемые в процессе жизнедеятельности грибов, бактерий, животных, растений или созданные синтетическим путем, способные избирательно подавлять жизнедеятельность бактерий, грибов, риккетсий, крупных вирусов, простейших и отдельных гельминтов. Они относятся к разряду «химиотерапевтические средства» и предназначены для избирательного действия на возбудителей заболеваний во внутренних средах организма (кровь, лимфа, межтканевая жидкость), в клетках, тканях и в очагах воспаления#.

Открытие антибиотиков, без  преувеличения, можно назвать одним  из величайших достижений медицины прошлого века. Но в настоящее время наблюдается  тенденция устойчивости патогенных микроорганизмов к антибиотикам, полученным синтетическим способом из растений, грибов и бактерий. Возникает  необходимость в антибиотиках, которые  вырабатываются организмом животных в  процессе их жизнедеятельности.

История открытия антибиотиков животного происхождения

Первооткрывателем антибиотиков является английский ученый Александр  Флеминг, который в 1929 году описал бактерицидное  действие колоний грибка Пенициллина  Penicillium notatum на колонии бактерий, разраставшихся по соседству с грибком.

В 1909г. русский микробиолог  П.Н. Лащенков получил из куриного яйца вещество, которое задерживало развитие некоторых микробов. Позже англичанин А.Флеминг обнаружил это вещество в тканях сердца, печени, легких, а также в слюне и слезах человека. Он назвал его лизоцимом, но практического значения ему не придал.

Ермольева З.В. смогла разработать метод выделения и концентрации лизоцима, установить его химическую природу и использовать в практике. Она обнаружила и новые источники лизоцима: редька, хрен, репа... Так получили объяснение лечебные свойства древнейших средств народной медицины. Значительно позже, в 1970г., З.В.Ермольева вместе со своими учениками смогла получить и кристаллический лизоцим, который стал широко применяться в хирургии, офтальмологии, педиатрии. З.В.Ермольева впервые в медицинской практике предложила использовать лизоцим для лечения некоторых глазных болезней, заболеваний носоглотки.

Таким образом, было выяснено, что животные организмы сами способны вырабатывать вещества оказывающие  сопротивление болезнетворным микроорганизмам. Данные вещества антибиотики животного  происхождения. Биологически активные вещества, выделяемые животными тканями, обладают не только антибиотическим  действием, но и активизируют защитные силы макроорганизма. Названные свойства позволяют применять их для профилактики и лечения ряда заболеваний. К ним относится эритрин, выделяемый из эритроцитов различных животных, экмолин, полученный из тканей рыб, лизоцим - полисахарид, полученный из яичного белка, это энзим — полипептид сложного строения, который содержится в слезах, слюне, слизи носа, селезёнке, лёгких, яичном белке.  Клетками некоторых тканей продуцируется интерферон, угнетающий жизнедеятельность многих возбудителей вирусных инфекций.

Влияние антибиотиков животного происхождения на живой  организм

Антимикробные пептиды и  белки фагоцитов и барьерных  систем организма человека и животных являются физиологически активными  веществами многоцелевого назначения, участвующими в различных защитно-приспособительных  процессах, среди которых ведущее  место принадлежит фагоцитозу и  воспалению. Благодаря особенностям своей структуры они являются антимикробными агентами, в значительной степени определяющими, завершенный  характер фагоцитоза и стерильность внутренней среды животных организмов. Кроме антимикробной активности эти соединения обладают широким  спектром функциональных свойств, обеспечивающих реализацию многих защитных реакций  организма, как против инфекции, так  и неблагоприятных воздействий  окружающей среды.

Из антибиотиков животного  происхождения наиболее известный  лизоцим.  

Лизоцим

Лизоцим (синонимы — мурамидаза, мукопептидгликогидролаза) — один из составных компонентов гранулярной антимикробной системы нейтрофилов человека и животных. Содержится в белке куриных яиц, слюне, слёзной жидкости, грудном молоке и различных тканях.

Лизоцим — фермент класса гидролаз, разрушающий оболочки бактериальных  клеток. В организме человека и  животных создает антибактериальный  барьер в местах контакта с внешней  средой (глаза, носоглотка и др.) … 

Лизоцим — фермент, повреждающий муреиновый слой бактерий. Лизоцим гидролизует 1,4 р-связи между остатками N-ацетил мурамовой кислоты и N-ацетилглюкозамином, деполимеризуя таким способом один из ведущих компонентов оболочки бактерий. При определенных условиях лизоцим может осуществлять полное растворение пептидогликанового слоя, превращая бактериальные клетки в сферопласты, которые лизируют вследствие разрыва цитоплазматической мембраны, и не выдерживающей высокого осмотического давления.

Лизоцим оказывает бактериолитическое действие на грамположительные бактерии; менее чувствительны к нему грамотрицательные микроорганизмы. Лизоцим применяется для лечения язвенного процесса роговицы глаза, конъюнктивитов, гайморитов, гнойных процессов, осложнений ожогов, отморожений, вызванных бактериями, чувствительными к препарату.

 

Иридомирмецин и изоиридомирмецин

В литературе описаны вещества, обладающие антимикробными свойствами, которые образуются насекомыми. Еще  в старых медицинских трактатах 1708г. имелись указания на использование  сока муравьев при лечении некоторых  заболеваний. Однако более пристальное  внимание к этим вопросам было обращено в 40—50-х годах ХХ столетия. Исследования показали, что из 51 вида обследованных  насекомых 25 видов способны образовывать антимикробные вещества, главным  образом путем использования  муравьиной кислоты. Из аргентинского  муравья удалось выделить вещество, обладающее бактерицидными свойствами в отношении ряда видов бактерий (Bacillus anihracis, Brucella abortts, Mycobacterium avium, Proteus vulgaris и др.). Антибиотическое вещество выделено в чистом виде из анальных желез рабочих особей — это иридомирмецин (от латинского названия аргентинского муравья Iridomyrmex pruinosus tiumitis). Из желез одной особи можно выделить 2,9—3,3 мкг вещества. Мужские особи муравьев иридомирмецина не содержат.

Австралийские муравьи Iridomyrmex nitidus содержат аналогичное вещество — изоиридомирмецин. Иридомирмецин и изоиридомирмецин мало токсичны, обладают высокой инсектицидной активностью. По-видимому, эти вещества, как и другие антимикробные продукты животного происхождения, можно считать защитными средствами продуцирующих их организмов.

 

Круцин

Противораковый антибиотик круцнн впервые получен Клюевой и Роскиным в 1946г. из культуры Trypanosoma cruzi. Мысль об использовании Тrypanosoma cruzi в терапии рака была высказана Роскиным еще в 1931г.

Тrypanosoma cruzi — паразитическое простейшее, непосредственно связанное с человеком. Этот организм вызывает заболевание трипанозомиоз, широко распространенное в Латинской Америке под названием болезни Чагаса.

Круцин образуется в клетках паразита, причем величина активности зависит от цикла развития Тrypanosoma cruzi. Работами Роскина и его сотрудников показано, что наиболее чувствительны к действию круцнна опухоли эпителиального происхождения. Круцин не токсичен.

 

Интерферон 

К антибиотикам животного  происхождения следует отнести  также белковое вещество интерферон, образующееся в клетках под действием  вирусов, а также некоторых видов  бактерий или бактериальных эндотоксинов. Интерферон подавляет размножение  вирусов. В связи с этим в последнее  время он привлекает внимание исследователей как лекарственный препарат при  вирусных инфекциях. Он не действует  прямо на них, но создаёт в ткани  состояние невосприимчивости к  вирусной инфекции.

Система интерферона является важнейшим фактором неспецифической  резидентности. Наряду со специфическим иммунитетом она обеспечивает защиту организма от множества неблагоприятных воздействий. Доказана возможность использования этого препарата для профилактики и лечения  ряда вирусных заболеваний. Система интерферона осуществляет в организме контрольно-регуляторные функции, направленные на сохранение клеточного меостаза. Важнейшими из этих функции являются антивирусная, противоклеточная, иммунномодулирующая и радиопротективная.

К настоящему времени известно несколько видов интерферона, определяемых характером индуцирующего фактора. Однако все эти препараты —  слабокислые белки с молекулярной массой примерно 30000.

Для получения больших  количеств интерферона используют шестидневные однослойные культуры клеток куриного эмбриона или культивируемые лейкоциты крови человека, зараженные определенным видом вируса. Иными  словами, для получения этого  вещества создают определенную систему  вирус — клетка.