Общая характеристика бактерий и актиномицетов

Бактерии  и актиномицеты

Общая характеристика бактерий и актиномицетов

Бактерии (от слова bacterion — палочка) — это наиболее широко распространенная в природе группа микроорганизмов, представляющих собой большой и чрезвычайно разнообразный мир микроскопических существ. Клетки наиболее мелких шаровидных бактерий имеют в поперечнике менее 0,1 мкм (т. е. 0,0001 мм). Подавляющее большинство бактерий — это палочки, толщина которых в среднем составляет 0,5—1 мкм, а длина 2—3 мкм. Очень редко встречаются бактерии-«гиганты», клетки которых имеют в диаметре 5—10 мкм, а в длину достигают 30—100 мкм.

Крайне малые размеры  клеток являются характерной, но не главной  особенностью бактерий. Все бактерии представлены особым типом клеток, лишенных истинного ядра, окруженного  ядерной мембраной. Аналогом ядра у  бактерий является нуклеоид — ДНК-содержащая плазма, не отграниченная от цитоплазмы мембраной. Кроме того, для бактериальных клеток характерны отсутствие митохондрий, хлоропла-стов, а также особое строение и состав мембранных структур и клеточных стенок. Организмы, в клетках которых отсутствует истинное ядро, называются прокариотами (доядер-ными) или протоцитами (т, е. организмами с примитивной организацией клеток).

Бактерии, в широком смысле слова,— это прокариотные организмы. К прокариотам относятся такие группы микроорганизмов, как эубактерии, спирохеты, микоплаз-мы, миксобактерии, лучистые грибки (актино-мицеты) и сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Форма клеток у бактерий может быть не только палочковидной (цилиндрической), но и шаровидной (кокки), спиральной (вибрионы, спириллы, спирохеты). Актиномицеты же и родственные им организмы образуют длинные ветвящиеся клетки — гифы, формирующие мицелий (сплетение гиф). Клетки микоплазм, лишенные плотной оболочки, способны принимать самые причудливые, постоянно изменяющиеся формы.

 
Рис. 1. Сравнительная величина волоса и бактерий: 1 — увеличенное изображение  волоса (X 500); 2 — бактерии в поле зрения светового микроскопа (X 2000); з — бактерии под электронным микроскопом (X 20 000).

Первооткрывателем мира бактерий был Антоний Левенгук — голландский  естествоиспытатель XVII в., впервые создавший  совершенную лупу-микроскоп, увеличивавший  предметы в 160 — 270 раз. Со времен Левенгу-ка техника исследования микробиологических объектов шагнула далеко вперед. Созданы световые микроскопы, увеличивающие объекты в 2000 и более раз. С помощью современного электронного микроскопа, увеличивающего предметы в 200 000 — 500 000 раз, можно различать и изучать самые мелкие микроорганизмы. Для сравнения на рисунке 1 показаны размеры волоса в микрометрах, изображение бактерии, полученное в световом микроскопе, и часть той же бактерии в поле зрения электронного микроскопа.

Вооруженная усовершенствованными приборами, микробиология все глубже и полнее познает свойства и особенности  мира невидимых. Ученые-микробиологи разрабатывают новые методы наилучшего использования полезных микробов и пресечения деятельности вредных.

Разработанный русским микробиологом  С. Н. Виноградским метод выращивания  микробов в лабораториях на элективных (избирательных) питательных средах дал возможность более подробно изучить различные микроорганизмы и их распространение в природе. Используя этот метод, ученые установили, что бактерии обнаруживаются всюду: в каждой капле даже самой чистой воды, в крупинках почвы, в воздухе, на скалах Земли Франца-Иосифа и  в снегах полярных областей, в океане на Северном полюсе. Разнообразные  виды бактерий найдены также в  почвах пустыни Сахара, в грунте, взятом со дна океана на глубине 4 км, и в нефти, добытой из глубоко  залегающих нефтяных пластов. Бактерии способны жить даже в воде горячих  источников с температурой около 80°  С.

Благодаря ничтожным размерам бактерии легко проникают в трещины, щели, поры. Они очень выносливы  и приспособлены к неблагоприятным  условиям существования: переносят  высушивание, сильные холода, нагревание до 80 — 90° С, не теряя при этом жизнеспособности. А споры бактерий выдерживают даже кипячение.

Бактерии играют важную роль в народном хозяйстве и в быту человека. Велика их роль в почвообразовательных процессах. Бактерии нашли широкое  применение в растениеводстве и  животноводстве, в различных отраслях пищевой промышленности. Микробиология  все шире внедряется в текстильную  и кожевенную отрасли промышленности. Такие производства, как мочка  льна, обработка кожи, не могут обойтись без использования продуктов  жизнедеятельности бактерий.

Необычайно велико значение бактерий в патогенезе заболеваний  человека, животных и растений.

Почвенные бактерии оказывают  большое влияние на рост и развитие растений. Вокруг корней и на корнях растений развивается большое количество различных видов бактерий, причем не всех видов, а только определенных, специфичных для каждого вида растений. Эта микрофлора может быть полезной или вредной для растения в зависимости от окружающей среды  и состояния самого растения.

В процессе жизнедеятельности  бактерии образуют ряд соединений, которые широко используются человеком: антибиотики, аминокислоты, витамины, ферменты и другие соединения. Много ценнейших биологически активных веществ, продуцируемых микроорганизмами, нам пока неизвестно. С каждым годом список этих соединений пополняется; мир микробов — неисчерпаемый источник различных важных веществ.

Громадное значение имеет  геологическая деятельность бактерий. Бактерии принимают самое активное участие в круговороте веществ в природе. Все органические соединения и значительная часть неорганических подвергаются при этом существенным изменениям. И этот круговорот веществ является основой существования жизни на Земле.

Настоящий том посвящен прокариотным организмам (за исключением сине-зеленых водорослей, которые будут описаны в 3-м томе). Хотя раньше бактерии относили к растительным организмам, в настоящее время показано, что бактерии как прокариоты составляют особое царство живых существ, отличное от царств растений и животных. Следуя традиции, редакция начинает издание «Жизнь растений» с описания бактерий как низших организмов — протоцитов. В первой части раздела по бактериям (введении) кратко излагаются основные принципы классификации, строение клеток и обмен веществ у бактерий. Во второй части приводятся сведения об основных систематических группах бактерий. Заключают раздел главы, описывающие экологию, физиологические группы и биохимические особенности бактерий.

Основные  принципы классиффикации бактерий и актиномицетов

Классификация живых существ  является одним из наиболее трудных  разделов биологической науки. В  ней, как в фокусе, концентрируются  все наши познания об организмах. Чем  глубже и полнее наши сведения об организмах, тем точнее мы их классифицируем. С  прогрессом биологической науки  совершенствуется и классификация  живых существ.

Систематика низших организмов совершенствуется крайне слабо. Объясняется  это значительной бедностью морфологических  и цитологических признаков у  микробов, а также трудностями  в изучении филогенеза этих существ.

В классификации бактерий существуют два направления. Первое — каталогизация форм — производится на основе какого-либо одного или нескольких признаков, часто случайных, не связанных  между собой. Второе — это построение системы на основе филогенетических данных, полученных путем комплексного, всестороннего изучения организмов.

По мере изучения биологии бактерий исследователи начали применять  для классификации, помимо морфологических, многие другие признаки: физио лого-биохимические, цитологические, серологические, иммунологические и др. В современных классификациях авторы используют любой признак, лишь бы он выделялся и давал возможность распознать изучаемый организм.

Специализация биохимической  деятельности микроорганизмов побуждает  некоторых исследователей подразделять бактерии на отдельные физиологические  группы. Наиболее ярко выражена такая  группировка в классификациях Орла-Иенсена и Берги. Бактерии подразделяются на основе их способности вызывать заболевания у человека, животных и растений; формируются особые группы патогенных и фитопатогенных форм только по одному этому признаку.

Не удивительно, что с  каждым новым изданием определителя микробов меняется группировка микроорганизмов. Микроорганизмы перемещаются из одной  таксономической группы в другую, причем перемещаются не только отдельные виды, но и роды и даже более высокие систематические единицы. В одной и той же группе организмы распределяются то по морфологическим признакам, то по физиологическим; к одной и той же группе относятся подвижные и неподвижные формы, грамположительные и грамотрицательные бактерии.

Невольно возникает вопрос: возможна ли классификация микробов не на формалистических принципах, не в целях каталогизации и диагностики, а на принципе филогенетических взаимоотношений, на основе родства изучаемых организмов? Можно ли строить филогенез бактерий подобно тому, как это осуществляется в классификации растительного  мира?

Известно, что за последние  десятилетия в области филогенетической систематики растений достигнуты большие  успехи. Систематика растений строится на основе комплексных исследований различных дисциплин биологической  науки: морфологии, цитологии, генетики, биохимии, серологии, геоботаники, палеоботаники  и др.

Особенности строения бактерий не позволяют при их изучении применять  все те методы, которые с успехом  используются в ботанике. Простота строения бактерий, отсутствие типичного  ядра и других органоидов в их клетках, а также полового процесса исключают .возможность использования цитоморфологического метода в той степени, как это имеет место в систематике растений. Исключается здесь и исторический метод. Нам почти ничего не известно о далеком прошлом бактерий. Имеющиеся указания на окаменевшие остатки бактерий малочисленны и немного дают для разъяснения исторических процессов эволюционного развития этих организмов.

Бактерии широко распространены в природе, характерной их особенностью является космополитизм. Имеющиеся  данные о географическом распределении  и специфике бактерий пока не дают возможности использовать их в целях  систематики.

Возможный и желательный  биохимический метод систематики, к сожалению, применительно к  микробиологии остается пока слабо  разработанным. Однако некоторые биохимические  работы представляют значительный интерес, так как дают основания для  подразделения бактерий на группы и  виды.

Современные классификации  и схемы филогенеза организмов, несмотря на их умозрительность, побуждают исследователей по-новому относиться к накопленному экспериментальному материалу и  систематизировать его с определенных позиций, а не по случайным признакам.

Быстрое размножение и  развитие бактерий на питательных средах дают возможность проводить широкие  эксперименты и получать результаты в короткий срок. Особенно это важно  при массовом анализе большого числа  поколений микроорганизмов. Как  бы ни были скудны морфологические  признаки у бактерий и лучистых грибков, все же в своей совокупности и  при сравнительном анализе они  с успехом используются в микробиологии  для установления родства микроорганизмов.

Следует подчеркнуть, что  один и тот же внешний морфологический  признак микробов может иметь  разное значение. Например, существенный для микобактерий признак ветвления  клеток вовсе не характерен для таких  истинных бактерий, как уксуснокислые  бактерии, азотобактер и др. У  микобактерий ветвление — нормальный формообразовательный процесс; у бактерий ветвление — патологический процесс, наблюдаемый при дегенеративном перерождении, ветвящиеся клетки у  этих бактерий представляют инволюционные, отмирающие формы.

Наиболее приемлемый метод  для выявления родства микробов — метод экспериментальной изменчивости. С помощью этого метода удалось  выявить родство у некоторых  бактерий и микобактерий, установить близость микококков с микобактериями, микобактерий с проактиномицетами. а проактиномицетов с актиномицетами.

Культуры актиномицетов  и бактерий при длительном нахождении в субстратах, в которых имеется  какой-либо искусственный источник питания, например сахар мальтоза, образуют штаммы, сбраживающие мальтозу. У сбраживающего мальтозу вида микроба появляется фермент, расщепляющий мальтозу. При истощении субстрата этот фермент утрачивается.

Такие изменения описаны  у очень многих микробов: бактерий, актиномицетов, дрожжей и грибов. Имеются данные, показывающие, что  изменения подобного типа связаны  с генетическим аппаратом клетки.

Разрешение вопроса, связанного с определением вида, важно не только с позиции чисто познавательной, общебиологической, но и с рядом  прикладных задач. Особенно велико практическое значение данного вопроса в препаративной микробиологии, инфекционном патогенезе человека, животных и растений, в технической и бродильной микробиологии и других областях. В промышленности и сельском хозяйстве, где действующим фактором являются бактерии, проблема вида и способы определения его имеют большое значение. Малейшие неточности в определении вида могут привести к нежелательным последствиям.

Решение важнейших биологических  вопросов, таких, как изменчивость и  наследственность, также тесно связано  с определением вида. Практическая значимость данной проблемы побуждает  специалистов все более углубленно заниматься ее разрешением. В настоящее  время проблемой вида занимаются многочисленные лаборатории во всех странах мира.