2. Классификация бактерий

1. Вступление
Бактерии – относительно просто устроенные микроскопические организмы. Они одноклеточные. Ядра,
отделенного от цитоплазмы оболочкой, у бактерий нет. Такие организмы называются прокариотами.
Весь наследственный материал у них распределён в цитоплазме. Клетки бактерий имеют намного
меньшие размеры, чем клетки растений или животных. В среднем это 0,5–5 мкм. Кишечная палочка,
например, имеет длину клетки от 1 до 6 мкм (Рис. 1.). Самые крупные из бактерий достигают размера в
750 мкм, т. е. 0,75 мм. Самые мелкие из них имеют размеры от 0,1 до 0,25 мкм. По теоретическим
подсчётам, клетка меньших размеров не может быть жизнеспособной, поскольку в ней не могут
поместиться все необходимые молекулы.
Рис. 1.
Впервые бактерии увидел в оптический микроскоп и описал в XVII веке Антони ван Левенгук (Рис. 2).
В середине XIX в. Луи Пастер открыл болезнетворные свойства бактерий, а также связал их со
многими хозяйственно важными процессами (например, порчей продуктов питания). Медицинская
микробиология получила развитие в трудах Роберта Коха. Он сформулировал общие принципы
определения возбудителя болезни. В 1905 году он был удостоен Нобелевской премии за исследования
туберкулёза. Изучением бактерий занимается наука бактериология.
Рис. 2.
2. Классификация бактерий
Клетки бактерий имеют чрезвычайно малые размеры. Поэтому изучение их строения началось только с
изобретением электронного микроскопа. Традиционно существует разделение бактерий по форме
клетки (Рис. 3).
Рис. 3.
Различают шарообразные кокки (например, стрептококки, стафилококки), палочковидные бациллы
(например, кишечная палочка), изогнутые в виде запятой вибрионы (например, холерный вибрион),
спиралевидные спириллы. Очень часто бактерии образуют скопления в виде длинных изогнутых
цепочек, групп и пленок.
Некоторые бактерии имеют жгутики – до 1000. Среди бактерий есть подвижные и неподвижные
формы. Подвижные передвигаются при помощи жгутиков или скольжением. Многие водные бактерии
могут погружаться или всплывать, изменяя свою плотность за счет выделения пузырьков газа.
Бактерии активно передвигаются в направлении, определяемом теми или иными раздражителями. Это
явление получило название таксиса. Большинство бактерий бесцветно. Некоторые окрашены в
пурпурный или зеленый цвет.
Бактерии были одними из первых живых организмов на Земле. Они появились более 3 млрд лет назад.
Поскольку понятие вида к бактериям применимо с трудом, сколько их видов существует, точно не
известно. Условно указывают около 10000 видов.
3. Строение бактерий
Бактериальные клетки окружены плотной оболочкой, благодаря которой сохраняют постоянную
форму. По составу и строению клеточные оболочки бактерий существенно отличаются от таковых
растений и животных.
Снаружи оболочка может быть покрыта ещё и слизистой капсулой. Оформленного ядра у бактерий нет,
а наследственный материал распределен в цитоплазме.
4. Распространение бактерий
Практически нет места на Земле, где бы не встречались бактерии. Они живут даже во льдах
Антарктиды и в горячих источниках. Особенно много их в почве. В 1 г почвы могут содержаться сотни
миллионов бактерий. Большинство бактерий гибнет при температуре +65–100°С, но споры некоторых
из них переносят нагревание до +140°С и охлаждение до -253°С.
Число бактерий различно в воздухе проветренных и непроветренных помещений. Так, в классе после
проветривания перед началом урока бактерий в 13 раз меньше, чем в той же комнате после урока.
Условия жизни бактерий разнообразны. Одним из них необходим кислород (аэробные бактерии),
другие в нем не нуждаются и способны жить в бескислородной среде (анаэробные бактерии).
5. Питание бактерий
Большинство бактерий питается готовыми органическими веществами – они гетеротрофы. Некоторые
бактерии, например сине-зеленые водоросли, способны создавать органические вещества из
неорганических (Рис. 4). Такие организмы называются автотрофами. Автотрофные бактерии сыграли
важную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли.
Рис. 4.
Гетеротрофные бактерии делятся на сапротрофных, получающих органические вещества из отмерших
организмов или выделений живых организмов, и паразитов, питающихся органическими веществами
живых организмов. Паразитизм у бактерий распространен очень широко. Существуют бактерии,
паразитирующие в теле бактерий других видов. Среди бактерий-паразитов много болезнетворных,
поражающих растения и животных.
Встречаются так называемые хищные бактерии. Это колониальные бактерии. Их клетки соединены
мостиками и образуют подобие ловчей сети. Передвигаясь, такая колония захватывает и переваривает
мелкие живые организмы.
Некоторые бактерии способны улавливать азот воздуха, что чрезвычайно важно для них и многих
растений.
6. Размножение бактерий
Размножаются бактерии делением одной клетки на две. При благоприятных условиях деление клеток у
многих бактерий может происходить через каждые 20–30 мин. При таком быстром размножении
потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно было бы заполнить
все моря и океаны.
Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро поедается другими
организмами. Половое размножение у бактерий отсутствует. Для обеспечения необходимой
изменчивости у них существуют другие механизмы. Так, некоторые бактерии могут обмениваться
наследственным материалом между собой и с другими организмами.
7. Образование спор
В неблагоприятных условиях (при недостатке пищи, влаги, резких изменениях температуры)
цитоплазма бактериальной клетки, сжимаясь, отходит от материнской оболочки, округляется и
образует внутри неё на своей поверхности новую, более плотную оболочку. Такую бактериальную
клетку называют спорой (Рис. 5). Споры некоторых бактерий сохраняются очень долго в самых
неблагоприятных условиях.
Рис. 5.
Они выдерживают высушивание, жару и мороз, не погибают даже в кипящей воде. По некоторым
данным, споры сохраняются в почвах и горных породах в жизнеспособном состоянии миллионы лет.
Споры легко разносятся ветром, водой и т. д. Их много в воздухе и почве. В благоприятных условиях
спора прорастает и становится активной бактерией.
Волосатики
Вымойте клубень картофеля, не очищая его от кожуры, нарежьте ломтиками. Натрите ломтики мелом
и поместите в чашку Петри. Чашку поставьте в тёплое место с температурой 25–30°С. Через 2–3 суток
на поверхности ломтиков образуется плотная морщинистая пленка. Маленький кусочек пленки
разотрите в капле воды и рассмотрите под микроскопом бактерии картофельной палочки. Они
подвижны, обладают жгутиками и могут образовывать споры.
Для получения культуры сенной палочки положите в колбу с водой немного сена, горлышко колбы
закройте ватой и кипятите содержимое в течение 15 мин, чтобы уничтожить другие бактерии, которые
могут оказаться в колбе. Сенная палочка при кипячении не погибает.
Полученный настой сена отфильтруйте и на несколько дней поставьте в помещение с температурой
20–25°С. Сенная палочка будет размножаться, и вскоре поверхность настоя покроется пленкой из
бактерий.
Стеклянной палочкой перенесите частичку пленки на предметное стекло, накройте покровным стеклом
и рассмотрите под микроскопом. Добавьте под покровное стекло каплю метиленовой синьки. На
голубом фоне бактерии видны гораздо лучше. Некоторые из них подвижны, а у неподвижных внутри
видны блестящие овальные образования. Это споры.
Почему бактерии рассматриваются в этом курсе?
До середины 20 века бактерии считались низшими растениями. Это происходило потому, что
некоторые бактерии способны синтезировать кислород, не способны поглощать целые кусочки пищи, а
получают питательные вещества в виде растворов. Таким образом, бактерии имеют сходные с
растениями признаки.
Оболочка клетки
Оболочка бактериальной клетки отличается от растительной либо животной. Таким образом,
некоторыми веществами можно нарушить синтез бактериальной оболочки (патогенных бактерий), не
нанося вреда организму-хозяину. Вследствие этого клетка не сможет продолжать нормальную
жизнедеятельность. Так работают антибиотики (пенициллин).
Появление цианобактерий
Одними из древнейших бактерий являются цианобактерии, или сине-зелёные водоросли (Рис. 6). В
породах, образованных 3,5 млрд лет назад, обнаружены продукты их жизнедеятельности –
строматолиты. Благодаря цианобактериям в атмосфере начал накапливаться кислород, который 2 млрд
лет назад достиг концентраций, достаточных для начала аэробного дыхания.
Рис. 6.
Появление кислорода в атмосфере (кислородная катастрофа) нанесло серьёзный удар по анаэробным
организмам. Они либо вымирают, либо уходят в локально сохранившиеся бескислородные зоны.
Общее видовое разнообразие бактерий в это время сокращается.
Суммарная масса бактерий составляет 350–550 млрд т. Это вполне сравнимо с массой растений и
намного превышает массу животных.
Бактерии – важнейшие участники пищевых цепей. Многие бактерии вызывают болезни человека,
животных и растений. Лишь бактерии способны усваивать азот атмосферы. Бактерии способны расти
как в присутствии свободного кислорода (аэробы), так и при его отсутствии (анаэробы). Они
участвуют в жизни почвы, в образовании полезных ископаемых и разрушении растительных и
животных останков; поддерживают запасы углекислого газа и кислорода в атмосфере.
2. Бактерии по типу питания
По типу питания бактерий можно условно разделить на три группы. Первая – автотрофные
бактерии, такие как, например, сине-зелёные водоросли, или цианобактерии. Они способны создавать
органические соединения из углекислого газа и воды, используя энергию солнечного света.
Другие две группы бактерий относятся к гетеротрофным организмам, т. е. они потребляют только
готовые органические вещества. Сапротрофные бактерии питаются органическими веществами
разлагающихся остатков и самых различных выделений организмов.Бактерии-паразиты питаются
веществами живых организмов, причиняя им вред. Давайте подробнее обсудим роль каждой из этих
групп в природе и жизни человека.
Автотрофные бактерии
Как и растения, автотрофные бактерии способны синтезировать органические вещества из углекислого
газа и воды. Они служат пищей для других бактерий, простейших и животных. В результате их
деятельности на нашей планете появился свободный кислород.
Наиболее распространенные автотрофные бактерии – сине-зелёные водоросли (Рис. 1). Они – важный
источник органических веществ во многих местообитаниях, некоторые способны усваивать
газообразный азот. В то же время, чрезмерно размножаясь, сине-зелёные водоросли способны
отравлять водоём, вызывая гибель многих его обитателей.
Рис. 1.
Сапротрофные бактерии
Это бактерии разложения и гниения. Отмершие грибы, растения и трупы животных, их выделения и
экскременты содержат множество сложных органических веществ. Сапротрофные бактерии разлагают
их до более простых, например углекислого газа, воды и аммиака. Эти вещества могут быть вновь
использованы автотрофными организмами. Таким образом, сапротрофные бактерии – самые важные
санитары нашей планеты.
В 1 см3 поверхностного слоя почвы содержатся сотни миллионов клеток сапротрофных почвенных
бактерий. Эти бактерии разлагают органические останки и выделяют различные минеральные
вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений.
Некоторые почвенные бактерии способны поглощать азот из воздуха. Эти азотофиксирующие
бактерии живут самостоятельно или поселяются в корнях растений. Проникнув в корни, они вызывают
разрастание клеток корней и образование на них клубеньков. Эти бактерии так и называют –
клубеньковые бактерии (Рис. 2). Наиболее часто они поселяются на корнях семейства бобовых.
Рис. 2. Клубеньковые бактерии
Бактерии-мутуалисты
Симбиоз – это длительное сожительство организмов. Когда это сожительство приносит пользу обоим
организмам, его называют мутуализмом. Многие бактерии находятся в мутуалистических отношениях
с другими организмами. Так, мы уже обсудили мутуализм растений и клубеньковых бактерий.
В симбиозе со многими морскими животными, например, с губками (Рис. 3) и асцидиями живут
цианобактерии.
Рис. 3. Губки
Обитатели горячих источников часто также имеют бактерий-мутуалистов.
Бактерии населяют желудочно-кишечный тракт животных и человека и необходимы для нормального
пищеварения. Особенно они важны для травоядных. Например, корова питается не столько собственно
растительной пищей, сколько продуктами её бактериального преобразования и частично бактериями.
Клубеньковые бактерии выделяют азотные соединения, которые используют растения. От растений
бактерии получают углеводы и минеральные соли. Таким образом, между растением и бактериями
существует тесная связь, полезная как одному, так и другому организму. Это явление называется
мутуализмом.
Благодаря таким отношениям с клубеньковыми бактериями бобовые растения обогащают почву
азотом, способствуя повышению урожая. В пищевой промышленности используют молочнокислые
бактерии (Рис. 4). Питаясь сахаром, содержащимся в молоке, они образуют молочную кислоту. Под её
действием молоко превращается в простоквашу, а сливки – в сметану. Квашение овощей, силосование
кормов тоже происходит с помощью молочнокислых бактерий. Образовавшаяся молочная кислота
предохраняет овощи и корма от порчи.
Рис. 4.
Некоторые бактерии делают продукты непригодными для питания. Поскольку бактерии не могут жить
без воды и погибают в крепких растворах соли и сахара, продукты сушат, солят, маринуют,
засахаривают, консервируют. При консервировании плотно закрытые банки нагревают. При этом
погибают не только бактерии, но и их споры. Поэтому консервы сохраняются долгое время.
Есть бактерии, которые портят ткани, книги и многие другие предметы обихода. Для предохранения
таких предметов от порчи их окуривают сернистым газом. Перспективным направлением является
очистка бактериями загрязнённых почв и водоёмов.
В кишечнике человека в норме обитает от 300 до 1000 видов бактерий общей массой до 1 кг, а
численность их клеток на порядок превосходит численность клеток человеческого организма. Они
играют важную роль в пищеварении, синтезируют витамины, вытесняют вредные бактерии. Можно
образно сказать, что микрофлора кишечника человека является дополнительным «органом».
Паразитические бактерии
Могут поражать любые организмы. У растений они вызывают пятнистость листьев, увядание, гниение
стеблей и т. д. У животных бактерии вызывают такие болезни, как сап, сибирская язва, бруцеллёз (Рис.
5). Массовое заболевание животных называется эпизоотия. Этими болезнями может заразиться и
человек, поэтому, например, в районах, где скот болеет бруцеллёзом, нельзя употреблять в пищу сырое
молоко.
Рис. 5.
Биологическая защита
В настоящее время разработаны методики по использованию бактерий в качестве биологической
защиты. Для борьбы с сорняками используют паразитов-растений, для борьбы с насекомымивредителями – паразитов-насекомых. Безвредность этих бактерий для человека позволяет применять
этот метод при выращивании сельскохозяйственных растений.
Помимо бактериальных инсектицидов, в сельском хозяйстве нашли применение бактериальные
удобрения. Так, в качестве удобрения используется препарат нитрогин. В 1 г такого удобрения
содержится более 2 млрд клеток азотофиксирующих бактерий. За один вегетационный период эти
бактерии могут накопить около 100 кг азота на 1 га, улучшая плодородие почвы.
3. Бактериологическая защита
Некоторые виды бактерий-паразитов проникают в организм человека и размножаются там, вызывая
различные заболевания. Они отравляют организм больного продуктами своей жизнедеятельности.
Бактерии вызывают тиф, холеру, дифтерию, столбняк, туберкулез, ангину и др. болезни.
Одними из этих болезней человек может заразиться через мельчайшие капельки жидкости (например,
слюны), находящиеся в воздухе, другими – при употреблении пищи или воды, в которую попали
болезнетворные бактерии.
Чума
Рис. 6.
В XIV веке от эпидемии чумы скончалось 75 млн человек, в том числе до 30 млн в Европе (Рис. 6). А
это могла быть и половина её населения. Болезнь истребляла в крупных городах тысячи человек в день.
Хотя чума сейчас практически побеждена, до сих пор она является символом смертоносной болезни.
Так, СПИД называют чумой ХХ века.
Антисанитарные условия и несоблюдение правил гигиены создают благоприятные условия для
быстрого размножения и распространения болезнетворных бактерий. Массовое заболевание людей
называется эпидемией.
Самое грязное место
По данным южнокорейского Бюро защиты прав потребителей, количество бактерий на ручках (без
антибактериального покрытия) тележек крупных магазинов достигает 1100 колоний на 10 см². Второе
место занимают компьютерные мышки в интернет-кафе (690 колоний на ту же площадь). Ручки
кабинок общественных уборных содержат лишь 340 колоний вредных микроорганизмов на 10 см².
Для того чтобы уберечься от всех видов микроорганизмов, которые были обнаружены на предметах
общественного пользования в ходе исследования, достаточно регулярно мыть руки с мылом.
Многие бактерии, являющиеся в норме безопасными для человека или даже обычными обитателями
его кожи или кишечника, в случае нарушения иммунитета или общего ослабления организма могут
выступать в качестве патогенов.
Бактерии, вызывающие болезни человека, используются как биологическое (бактериологическое)
оружие; кроме того, в качестве такого оружия могут использоваться бактериальные токсины.
В настоящее время проводят специальные мероприятия для предупреждения распространения
болезней. Установлен строгий врачебный контроль за источниками воды и пищевыми продуктами. На
водопроводных станциях воду очищают в специальных отстойниках, пропуская её через фильтры,
хлорируют, озонируют.
Больные получают лекарства, которые убивают болезнетворных бактерий. Для уничтожения бактерий
в помещении, где находится заразный больной, проводят дезинфекцию, т.е. опрыскивание или
окуривание химическими веществами, вызывающими гибель бактерий. Солнечный свет также
губителен для многих бактерий, например, для бактерий туберкулеза.
Для предупреждения (профилактики) заражения человека каким-либо заболеванием применяют
специальные прививки. Так, существуют прививки против дифтерии, тифа и др.
Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии активно применяются
в научных исследованиях.