2
План
Две империи и пять царств природы
Исторические сведения об открытии микроорганизмов
а) Левенгук
б) Луи Пастер
в) П. Эрлих
Микроорганизмы, особенности строения и форма, движение, жизнедеятельность
а) Строение клетки
б) Физико-биологические свойства микроорганизмов
в) Распространение в природе, виды микроорганизмов
г) Экология бактерий
Селекция микроорганизмов
Доклеточные формы жизни - Вирусы
Подавляющее большинство ныне живущих организмов состоит из клеток. Лишь немногие примитивнейшие организмы - вирусы и фаги ре имеют клеточного строения. Поэтому важнейшему признаку все живое делится на две империи доклеточные (вирусы и фаги) и клеточные (бактерии, грибы, растения и животные).
Представления о том, что все живое делится на два царства - животных и растений, ныне устарело. Современная биология признает разделение на пять царств - прокариот или дробянок, зеленых растений, грибов, животных, отдельно выделяются царство вирусов - доклеточных форм жизни.
Однако из самых увлекательных страниц из истории биологии является охота за микроорганизмами.
В то время, когда родился Левенгук, микроскопов еще не было, а были только грубые ручные лупы, через которые самое большое, что можно был увидеть - эту десятицентовую монету, увеличенную до этот голландец не занимался неустанно шлифовкой своих замечательных стекол, ему вероятно, до самой смерти не пришлось бы увидеть ни одного существа размерами меньше сырного клеща, однажды он посмотрел через свою игрушечную, оправленное в золото, линзу на каплю чистой дождевой воды и увидел, тогда то и пробил час Левенгука этот прев ратник из Дельфта проник в новый мир фантастических мельчайших существ, которые жили, рождались, боролись и умирали, совершенно незримые и не известные никому от начала времен. Это были своего рода зверки в продолжение многих веков терзавшие и истребляющие целые поколения людей, которые в десять миллионов раз крупнее их самих. Это были существа более ужасные, чем огнедышащие драконы и чудовищные многоголовые гидры, о которых повествовалось в сказках и легендах, Это был невидимый, скрытный, но неумолимый жестокий, а порою и дружественный мир, в который Левенгук заглянул первый из всех людей всего мира. Он наводил свою линзу на разные сорта воды, на воду выдержанную в закрытом помещении лаборатории, на воду из горшка, поставленную на самой верхушки дома, из холодного колодца воды в его саду. Ему никогда не надоедало смотреть, как "Они оживленно вьются друг около друга, точно куча москитов в воздухе, от чего зависит острый вкус перца" - задал он однажды себе вопрос и высказал следующею догадку - Должно быть, это на перчинках есть маленькие невидимые шипы, которые колют язык, когда ешь перец. Существуют ли в действительности эти шипы? Он начал возится с сухим перцем. Он чихал, потел, но ему никак не удавалось получить маленькую перчинку, чтобы её можно было сунуть под микроскоп. Он положил перец на несколько недель в воду, чтобы он размяк, И только тогда с помощью двух тонких иголочек ему удалось отщепить крошечную, почти невидимую, частицу перца и всосать её вместе с каплей воды в свою волосяную стеклянную трубочку. Он посмотрел в микроскоп, там было нечто такое, что ошеломило даже этого смелого человека, Предполагаемые шипы были сразу забыты. С захватывающим любопытством маленького мальчика, он не отрываясь, смотрел на потешное зрелище. Невероятное количество крошечных животных всевозможных пород быстро металось по всем направлениям, После этого опыта Левенгук решил написать великим людям в Лондон. Но ему никто не поверил, Левенгук был оскорблен. Тогда он написал письмо Королевскому обществу Гуку и Нехеми Англии, В этом письме были изложены все опыты и в качестве доказательства, он написал, что некоторые люди могут подтвердить, Тогда Королевское общество поручило Роберту Гру соорудить самые лучшие микроскопы и приготовить перечный настой из высшего сорта чёрного перца,15 ноября 1677 года Роберт Гук принёс в собрание свой микроскоп, а в месте с тем и большое волнение,, ибо оказалось, что Левенгук не соврал, Да, они были здесь, эти волшебные зверки, Почётные члены собрания вскакивали со своих мест и восклицали, Этот человек поистине великий исследователь, Это был день славы Левенгука, В 1831 году, спустя 32 года после смерти блистательного Спалланцани (один из великих охотников за микробами), охота за микробами находилась в состоянии полного застоя, Сооружались чудесные микроскопы, но не было человека, который достоин был бы в них смотреть, В один из октябрьских дней 1831 года девятилетний мальчик испуганно выскочил из толпы от стонов одного фермера Николя. Ему прижигали укус бешеного волка, раскалённым железом. Этот мальчик был Луи Пастер, сын кожевника в Арбу а (название местности во Франции), - "Отец, от чего бесятся волки и собаки, И от чего человек умирает, когда его кусает бешеная собака" - спрашивал Луи. Его отец был владелец небольшого кожевенного завода, старый сержант наполеоновской армии. Он видел десятки тысяч человек, погибших от пуль, но не имел ни малейшего представления о том, почему человек умирает от болезни, Между тем дело клонилось, к тому, чтобы отложить микробов в долгий ящик вместе с дронтом и другими забытыми животными Швед Линней, один из восторженных классификаторов много работавший над составлением карточного каталога всех живых существ, опускал руки, когда дело доходило до "ничтожных зверушек".
Они слишком малы, слишком туманны, и никто никогда о них ничего определённого не узнает - "отнесём их просто к категории хаоса" - говорил Линней.
Защищал их только знаменитый круглолицый немец Эренберг, затевавший пустые и шумные споры о том, есть ли у маленьких животных желудки: представляют ли они собой целых животных или являются только частью других, более крупных животных, действительно ли они животные, или быть может маленькие растения. В то время как Пастер склонял свой плоский нос и широкий лоб над беспорядочной кучей кристаллов. Маленькие микробы снова стали входить в известность благодаря работам двух исследователей одиночек: одного из Франции, другого из Германии. Скромный, но оригинальный француз Каньян де ля Тур в 1837 году впервые сунул свой нос в большие чаны на пивных заводах. Он вынудил из одного такого чана несколько капель пены и посмотрев на неё в микроскоп, заметил, что находящиеся в ней крошечные шарики дрожжей выпускают из себя боковые отростки, а эти отростки дают от себя новые крошечные шарики.
Они живые, эти дрожжи воскликнул он.
Они могут размножаться так же, как и другие живые существа. Каньяр был уверен, что они своей жизнедеятельностью превращают ячмень в алкоголь.
Однажды Пастер взял каплю больного вина положил под микроскоп и посмотрел. Он там не оказалось дрожжей. И вдруг он увидел на поверхности вина в бутылки, из которой была взята капля, в которой нет дрожжей какие-то маленькие комочки. Пастер взял один из комочков растёр в капли чистой воды и положил под микроскоп. Он увидел огромную массу крошечных палочкообразных существ. После этого он догадался, что эти палочкообразные существа являются таким же бродило для молочной кислоты, как дрожжи для алкоголя.
Пастер решил изучать эти палочки. "Невозможно изучать эти палочки в грязном массиве, взятом прямо из чанов" - подумал Пастер. - " Я должен придумать для них особую питательную среду, чтобы иметь возможность наблюдать, как они растут, размножаются и производят потомство". Он пробовал распустить эти серые комочки в чистой сахарной воде, но ничего не вышло, они не захотели в ней размножаться.
"Они нуждаются в более питательной пище" - подумал он, и после целого ряда неудач изобрёл, наконец, для них странный питательный бульон: он взял сухих дрожжей прокипятил их в чистой воде и хорошенько процедил: затем он добавил туда небольшое количество сахара и немного углекислой извести, чтобы предохранить бульон от окисления. Острием тонкой иголки он выловил один серый комочек из сока большой свекольной массы, осторожно посеял этот комочек в своём бульоне и поставил в термостат. Оставалось ждать. Самое ужасное в охоте за микробами, что результаты не всегда получаются сразу, и приходится иногда мучительно и долго ждать. И Пастеру тоже приходилось ждать. Так как он был профессором и деканом научной части нормальной школы в Лилле, где он впервые столкнулся с вопросом о микробах. Он читал лекции на научные темы, подписывал разные бумаги, но и забегал на минуточку посмотреть в термостат. И когда наступило время смотреть, он решался. Он взял из термостата одну каплю и положил под микроскоп. Всё поле линзы кишело и вибрировало миллионами крошечных танцующих палочек.
Они размножались. Они живые - прошептал он про себя. Он повторял этот опыт десять дней подряд. И всё что сводилось к одному, что это вредители. Что эти палочки портят брожение вина.
Вскоре Луи Пастер со своей женой переехал в Париж. Однажды он взял колбу и наполнил её молоком до половины, вскипятил, затем запаивал узкое горлышко. Он хранил её три года. Когда открыл то, убеждался, что молоко хорошо сохранилось. После этого он много фантазировал над миром без микробов, в котором достаточно кислорода, но этот кислород не может быть использован для разрушения мёртвых растений и животных, потому что нет микробов, вызывающие окисления. Он представлял кошмарную картину пустынных, безжизненных улиц покрытых горами не гниющих трупов.
Многие эволюционисты, ботаники считали, что Пастеру не удастся устроить, так чтобы при наличии обыкновенного воздуха в бульоне тотчас же не стали развиваться дрожжевые грибки, плесень, вибрионы и другие микроскопические существа. Пастер старался найти способ ввести не нагретый воздух в кипячёный бульон, предохранив бульон от попадания в него микробов. Но он не мог ничего подходящего придумать.
В один прекрасный день к нему в лабораторию зашел профессор Баляр (открыл Бром).
Баляр сказал Луи Пастеру: " Послушайте мой друг, ведь ни вы, ни я не верим, что микробы могут самостоятельно зарождаться в дрожжевом бульоне, мы оба знаем, что они попадают или заползают туда вместе с воздушной пылью, не так ли?"
"Да конечно, но" - возразил Луи Пастер.
Постойте минуточку: - перебил Баляр - Почему вы не хотите попробовать такую штуку: налейте в колбу бульон и вскипятите его, потом отверстие колбы поставьте в таком положении, чтобы пыль туда никак не могла попасть, а воздух мог бы входить в каком угодно количестве.
Но как это сделать? - спросил Пастер.
Очень просто, - Возьмите колбу, налейте в неё бульон, затем расплавьте горлышко колбы на паяльной лампе и вытяните его в длинную, тонкую спускающею к низу трубку. Придайте трубке такую форму, какую предаёт лебедь своей шее, когда хочет что-нибудь взять из воды.
После этого Пастер всё понял.
Значить, микробы не могут попасть в колбу, потому, что пылинки, на которых они сидят, не могут падать снизу в верх. И он принялся за работу. Приготовив всё Пастер проделал этот опыт. Вскоре он посмотрел на результат, в котором он увидел превосходный, прозрачный дрожжевой бульон. Не оставалось сомнений в том, что система Баляра доказывает, что самопроизвольное зарождение - вздор и чепуха.
Вскоре Пастер доказал, что именно микробы являются причиной многих болезней. Так на научной вечеринке в Сорбоне Пастер выступил с популярным докладом в присутствии знаменитого романиста Александра Дюма. Он представил им в этот вечер научный водевиль, после которого его слушатели возвращались домой в страхе и унынье. Он показывал им световые изображения различных видов микробов; он таинственно тушил в зале огни и затем внезапно прорезал тьму ярким лучом света.
Посмотрите на тысячи танцующих пылинок в свете этого луча! - восклицал он. Ведь воздух этого зала кишит пылинками, тысячами миллионами этих ничтожных, ничего собой не представляющих пылинок. Но не относитесь к ним слишком пренебрежительно: они несут иногда с собой болезнь и смерть-тиф, холера, жёлтую лихорадку и множество других болезней.
Пауль Эрлих был очень весёлым человеком. Он выкуривал до 25 сигар в день, не прочь был выпить кружку пива со своим старым лабораторным служителем и десяток другой кружек с немецкими, английскими и американскими коллегами. Будучи вполне современным человеком, он всё же напоминал нечто средневековое своей знаменитой, часто повторяемой фразой "Нужно научится стрелять по микробам волшебными пулями". Благодаря своей весёлости и скромности Эрлих легко приобретал друзей но, будучи вместе с тем и не глупым человеком, он старался, чтобы в число этих друзей попадали иногда и влиятельные люди. Все свои знания и идеи П. Эрлих черпал из книг. Вся его жизнь протекала среди научной литературы Его дом, и лаборатория были заполнены книгами.
В 1901 году он прочитал об исследованиях Альфонса Лаверана, и с этого, собственно, начались его восьмилетние поиски магических пуль. Лаверан как известно открыл микроб малярии, а в последнее время упорно работал над трипанозонами. Они вызывают у лошадей болезнь Кадера с поражением всей задней части тела. Этого было достаточно, чтобы воспламенить Эрлиха.
Вот великолепный микроб для моих целей. Во-первых, он крупных размеров и его легко наблюдать и, во-вторых, он прекрасно размножается в мышах и убивает их с замечательной регулярностью. Он убивает мышей всегда. В 1902 году П. Эрлих приступил к делу. Он привёл в боевой порядок всю свою армию блестящих, сверкающих ослепительных кросок.
Однажды сидя на своём единственном стуле в кабинете он прочитал в каком-то химическом журнале о новом патентованном средстве. Оно называлось " атоксил" - это означает "не ядовитый". В его состав входило бензельное кольцо, шесть атомов углерода, четыре атома водорода, немного аммония, окись мышьяка. От атоксила умирали мыши, поражённые сонной болезнью. В своей лаборатории П. Эрлих установил, что атоксил может быть видоизменён. Его можно переделывать в бесконечное, почти неограниченное количество препаратов мышьяка, совершенно не нарушая комбинации бензола с мышьяком. После этого П. Эрлих пошёл в кабинет своего главного химика Бертхейма.
Атоксил может быть видоизменён. И Эрлих стал чертить на бумаги тысячи разнообразнейших фантастических схем - Бертхейм никак не мог устоять перед этим. Они проделывали опыты с теми шестью ста шести различными препаратами мышьяка.
Но вскоре обнаружилось, что уничтожая свирепых трипанозом болезни Кадера, это чудесное лекарство, одновременно превращая кровь мышей в воду или убивало их, связывая в злокачественную желтуху.
Сжигая себя с двух концов - т.к ему было уже за пятьдесят, и смерть была не за горами.П. Эрлих наткнулся на свой знаменитый препарат "606", который ему, конечно, никогда в жизни не удалось бы найти без помощи Бертхейма. Этот препарат "606" носил название "диоксидиамминоарсенобензолдигидрохлорид". Его убийственное действие на трипанозом было пропорционально длине его название. Первое же вливание совершенно очищала кровь мышонка от этих свирепых возбудителей болезни Кадера, убивая их до последнего, чтобы ни один не мог пойти и рассказать, эту страшную новость своим собратьям. Этот препарат был абсолютно без вреден. В 1906 году П. Эрлих прочёл об открытии германским зоологом Шаудином тонкого бледного спирахеобразного микроба и доказал, что он то и является возбудителем сифилиса. Шаудин считал, что спирахету можно отнести к родственникам трипанозомов. И тогда Эрлих подумал и сказал - "Если спирахета - кузинатрипанозоме, то "606" должен действовать и на спирахету. И он сейчас же это проверил на кролике, результат оказался прекрасным.
После этого он пишет письмо своему другу доктору Конрату Альту. "Не будешь ли ты так любезен, использовать мой новый препарат "606" на человеке, страдающем сифилисом".
Альт ответил: - "с удовольствием".
Наступил 1910 год, самый славный год в жизни П. Эрлиха. В один из дней этого года появился на научном конгрессе в Кенигсберге и был встречен овацией. Он сообщил о том, как была найдена, наконец, магическая пуля. Он изобразил весь ужас сифилиса, приводившего больных к смерти или в убежище для идиотов то есть псих больница. Он рассказал несколько случаев, когда больные были уже приговорены к смерти. Одного вливания "606" было достаточно, чтобы вернуть их к жизни и поставить на ноги. Они прибавляли в весе по двенадцать килограммов. Он сообщил об одном несчастном, у которого глотка была так ужасна, что в течение нескольких месяцев его кормили через трубку. В два часа дня ему было сделано вливание "606", а к ужину он уже ел бутерброд с колбасой.
Таким образом: Левенгук впервые открыл микробы, и доказал, что они находятся абсолютно везде; Луи Пастер доказал, что именно в них находится опастность; Пауль Эрлих смог изобрести "магическую пулю" против трипанозом.
Микроорганизмы обитают практически везде: в воде, почве, воздухе, на поверхностях растений и животных, в пищеварительных трактах животных и самого человека; многовековые ледники Антрактиды: вечная мерзлота Чукотки; кипящие гидротермальные источники; глубочайшие впадины мирового океана; воды охлаждающих контуров ядерных реакторов, заселены микроорганизмами. Сейчас известно около 2500 видов бактерий. Бактерии относятся к прокариотам - это самые простые, мельчайшие и наиболее распространённые организмы. Бактериальные клетки имеют ядра, покрытого ядерной оболочкой и набора хромосом, характерного для эукариот. У бактерии отсутствует процесс размножения.
В основе морфологии клеток прокариот лежат две основные формы - шар и цилиндр. Различают кокки - шарообразные клетки и их группировки, прямые палочки-бацилы, короткие изогнутые - вибрионы, извитые - спириллы и спиротехты. Известные бактерии имеющие форму куба, плоского диска и треугольника.
Строение бактериальной клетки: клеточная стенка; цитоплазматическая мембрана, окружающию цитоплазму с нуклеидом и рибосомом. Цитоплазматическая мембрана у некоторых прокариот образует выпячивание внутрь клетки - инвагинации или образует мембранные тельца. В клетке, в зависимости от особенности метаболизма могут присутствовать мембранные структуры необходимые, например, для осуществления фотосинтеза.
В зависимости от строения клеточной стенки, бактерии делятся на грамположительные и грамотрицательные, названные по имени бактериолога Грама, открывшего особенности окраски клеток бактерий. Грамположительные бактерии окрашиваются по методу Грама в фиолетовый цвет (к ним относятся стофилококки, стрептококки, возбудители сибирской язвы, столбняка, газовой гангрены и др.) Грамотрицательные не окрашиваются по этому методу (это менингококки, кишечная палочка и др.) Клеточная стенка представляет собой сетчатую структуру, различающихся у разных групп бактерии толщиной (многослойная и однослойная) и химическим составом. Основным компонентом, обеспечивающим ригидность клеточной стенки, гетерополимер "пептидогликан". Он состоит из углеводородного компонента и короткого пептида. Но имеются бактерии микроплазмы, не имеющие никакой клеточной стенки.
Цитоплазматическая мембрана, прокариотической клетки представляет собой белково-липидный комплекс, в котором 50-75% белков и 15-45% липидов. В настоящее время специалисты сходятся во мнении, что мембрана представляет собой жидкокристалическую структуру и не является симметричной, как это кажется под электронным микроскопом. Благодаря такой структуре она выполняет свои многочисленные функции. Прежде всего, барьерная, транспортная (переносит ионы и молекулы в клетку и из клетки) и энергетическая функции. На мембране локализованы ферменты, осуществляющие синтез молекул, обладающих высокоэнергетическими связями, энергия, которая нужна для катализа биологических реакций клетки. В цитоплазматической мембране "встроена" и дыхательная цепь - система переносчиков электронов. Поверхность клетки может быть покрыта полисахаридной или белковой капсулой. Для передвижения в живой среде некоторые клетки прокариот, как и эукариот обладают одним-двумя или многочисленными жгутиками. Иногда клетка бывает покрыта многочисленными ворсинками, которые наряду с капсульным материалом играют важную роль в прикреплении клетки к поверхности чего-либо.
Цитоплазма бактерий окружена плазматической мембраной, на внутренней поверхности которой локализованы многочисленные ферменты. В цитоплазме обнаруживают большое количество рибосом и гранулярных включений, а также один или два участка, где концентрируется ДНК.
Жгутики и фимбрии. Некоторые бактерии имеют очень тонкие и прочные спиральные жгутики, в несколько раз более длинные, чем сами клетки. Жгутики совершают быстрые вращательные движения и способствуют движению бактерий. Бактерии для своих размеров передвигаются очень быстро, за одну секунду они преодолевают расстояние равное примерно 20 диаметром самой бактериальной клетки.
Жгутики бактерий длинные 12-13 миллиметра, тонкие и волнообразно изогнутые. Диаметр их обычно 10-12 нм, поэтому их нельзя увидеть в световой микроскоп. У некоторых бактерий жгутики равномерно распределены по всей поверхности клетки, у других прикреплены к одному или к обоим концам. Каждый жгутик состоит из одной жёсткой молекулы белка флагеллина.
Фимбрии (ворсинки) короче и прямее, чем жгутики: их диаметр около 7,5-10нм. Фимбрии характерны главным образом для грамотрицательных бактерий. Полые ворсинки образуются на клетках во время конъюгации, однако их точная функция пока неизвестна. Возможно, они переносят ДНК или способствуют соединению клеток. В большинстве случаев ворсинки помогают, бактериям прикрепляется к определённым мембранам.
Несмотря на простоту организации, бактерии могут реагировать на определённые раздражители, двигаясь в направлении увеличивающейся концентрации пищи или кислорода. Бактерии обладают специфической чувствительностью к питательным различным веществам, например сахаром. После того как клетки получают сигнал о "привлекающих" (аттрактантах) или "отталкивающих" (репеллентах) веществах, они могут выбрать нужное им направление движения. Аттрактанты вызывают вращение жгутиков против часовой стрелки, а репелленты - наоборот, по часовой стрелки. Таким образом "пробежки" совершаются за счёт вращения жгутиков, а "кувыркание" - за счёт вращательного движения. При длительном движении жгутики работают вместе и собираются в пучок на заднем конце клетки, несмотря на то что расположены практически по всей поверхности.
Совершенно иной способ движения обнаружен у нитчатых цианобактерий и у бактерий, лишённых жгутиков. Движение этих микроорганизмов представляет собой скольжение, но может включать и вращение вдоль продольной оси клетки. Короткие сегменты, отчленённые от колонии цианобактерий могут скользить со скоростью порядка 10 мкм/с. Движению способствуют выделения слизи через споры клеточной оболочки и образование сократительных волн на её внешней поверхности.
Размножаются микроорганизмы делением клетки на две равные или почкованием, что особенно характерно для многих дрожжей. Только некоторым бактериям свойственно образование специальных "органов" размножения (цианобактерии, миксобактерии, актиномицеты). Для переживания неблагоприятных условий, некоторые бактерии в своём жизненном цикле имеют стадию покоя. У одних бактерий такая стадия покоя связана с образованием одной или реже нескольких эндоспор. После разрушения клетки - эти споры попадают в окружающею среду и т.к, они крайне устойчивы к всякого рода внешних воздействий (температуре, радиации, высушиванию и др.) то могут сохранятся десятки, сотни и даже тысячи лет. При попадание в благоприятные условия такие споры прорастают, давая вегетативные клетки. Некоторые другие бактерии образуют покоящие формы в виде цист, экзоспор и микроспор.
Для существования микроорганизмов необходимы источники углерода и энергии. По типу потребляемого углерода подразделяются на гетеротрофов (используют углерод в органической форме) и автотрофов (используют углерод углекислот). По типу источника энергии их можно разделить на фототрофов (используют солнечный свет) и хемотрофов (у них источник энергии - окисление органических или неорганических веществ). По типу источника электронов, используемых в окислительно-восстановительных реакциях различают органотрофов и литотрофов, получающих электроны из неорганических соединений (pO и pS). У большинства бактерий окислительно-восстановительные процессы проходят с использованием атмосферного кислорода, т.е. отщепляющихся при окислении субстрата, водород соединяется с кислородом воздуха. Такой тип дыхания называется аэробным. У некоторых микроорганизмов акцептором водорода является кислород, содержащийся в связанном состоянии в неорганических соединениях азота или серы - в нитратах или сульфатах. Такое дыхание проходит в отсутствии атмосферного воздуха и называется анаэробным дыханием. Среди эукариот и прокариот известны микроорганизмы способные переключатся с кислородного существования на бескислородное их называют факультативными анаэробами (кишечная палочка). Наряду с этим существует и строгие анаэробы, которые при контакте с кислородом воздуха погибают. К таким относятся метанообразующие бактерии и др. В отличие от животных, микроорганизмы не могут поглощать высокомолекулярные вещества. Для их роста и развития необходимы низкомолекулярные вещества. Для роста и развития необходимы кроме органических и неорганических веществ: N. P. Na. K. Fe и другие макроэлементы, а также микроэлементы Co. Mo. Zn. Cu. W и другие. Как правило, для каждого из требуемых веществ, клетка имеет свою транспортную систему, которая локализована в цитоплазматической мембране. Важнейшим после углерода элементом для бактерий является азот. Часть микроорганизмов приобрела способность использовать его в газообразном состоянии. Этот процесс называется азотофикацией и имеет огромное экологическое и практическое значение.
Я попробую охарактеризовать более известные группы микроорганизмов.
а) Гетеротрофы - они не способны синтезировать органические соединения из простых неорганических, а должны получать их в готовом виде. Самая большая группа гетеротрофных бактерий - это "сопробионты". Они питаются мёртвым органическим материалом. Сопробионты бактерии и грибы ответственные за разложение и круговорот органического вещества в почве; многие образуемые при этом соединения имеют специфический запах.
б) Хемоавтотрофные бактерии получают энергию, необходимую для осуществления синтетических реакций, путём окисления неорганических веществ, которые обеспечивают их энергией подобно свету у фотосинтезирующих организмов. Бактерии, обитающие в глубоководных кратерах при температуре выше 360 градусов тоже хемосинтетики. Они получают энергию превращая сульфид водорода в серу, и кроме того обеспечивают энергией целое сообщество организмов живущих в полной темноте океанических глубин.
в) Архебактерии - это строгие анаэробы, метанообразующие бактерии - они обитают в желудочно - кишечном тракте жвачных животных, в сточных водах, болотах и в глубине моря. Большинство запасов природного газа связанно с деятельностью метанообразующих бактерий. Метанобактерии отличаются большим морфологическим разнообразием. Однако К. Уозом и его коллегами из Иллинского университета было доказано, что различные формы метанобактерий имеют гамотологические последовательные рРНК, что свидетельствует об их родстве. Удивительным оказался факт, что эти последовательности оснований резко отличаются от таковых в рРНК других бактерий и эукариот. На основании изложенных фактов было высказано предположения, что метанобактерии появились на Земле около 3-х миллиардов лет назад, когда атмосфера была бескислородой, но обогащённой CO2 и p. Сейчас они обитают только в пределённых специфических условиях. Отличие метанобактерий от других групп бактерий привели к тому, что их можно отнести к отдельному царству - архебактерий.
А теперь можно подвести итог на основе вышеизложенного. Какие микробы приносят пользу, а какие вредят и даже вызывают многие смертельные, иногда болезни человека, животных и растений.
а) Различные группы микроорганизмов участвуют в отдельных этапах разложения и круговорота веществ, происходящих в почве. Многие бактерии и грибы располагают углеродосодержащиеся соединения и выделяют в атмосферу СО2. Наиболее важны органические вещества растительного - целлюлоза, лигнин, пектины, крахмал и сахар. Установлено, что более 90% СО2 образуется в биосфере в результате деятельности бактерий и грибов. Многие микроорганизмы используют процесс аммонификации - разложение аминокислот с выделением ионов аммония (Np). Аммоний может окислить до нитрата (NO2-), а нитрит до нитрата (NO4-). Окисления аммония в нитриты и нитраты называют нитрификацией. Этот процесс идёт с выделением энергии. Де нитрификация - превращение нитратов в газообразный азот или оксид азота - приводит к уменьшению азота в почве. Процесс обратный де нитрификации, называется фиксацией азота. Из всех живых организмов только бактерии нескольких родов способны к фиксации атмосферного азота. Наиболее известные из них - это симбиотические бактерии, которые образуют клубеньки на корнях бобовых и некоторых других растений.
б) Болезни человека.
Некоторые болезни человека передаются воздушно - капельным путём. Такие как: бактериальная пневмония, коклюш, дифтерит. В настоящее время дифтерит встречается довольно редко, поскольку большинство детей вакцинируют против него. Возбудитель туберкулёза остаётся ещё причиной смерти многих людей, несмотря на усовершенствование методов диагностики лечения. Чума - острое инфекционное заболевание человека и животных. Вызывается бактериальной - чумной палочкой. Холера вызывает острые кишечно-желудочные расстройства и обезвоживание организма. Возбудитель - бактерия холерный вибрион. Переносится через воду, пищу.
Целый ряд других болезней бактериального происхождения передаётся через воду и пищу. Примером могут служить брюшной тиф, паратиф, дизентерия. Бруцеллез опасен как для животных, так и для человека, который заражается через молоко от инфицированной коровы. В 1976 году была впервые обнаружена "болезнь легионеров", которая передаётся через питьевую воду. От этой таинственной болезни лёгких погибло 34 члена Американского легиона на конференции в Филадельфии. Оказывается, что данная болезнь вызывается небольшой палочковидной бактерией с жгутиками. Эти бактерии из тёплой воды попадают в организм человека и быстро размножаются в моноцитах, белых клетках крови, играющею немалую роль в иммунитете. Установлено, что "болезнь легионеров" охватила в США около 50 тыс. человек, причём 15 - 20% с летальным исходом. Бактерии вызывают гниение продуктов питания и других органических материалов, и некоторые чрезвычайно опасны для человека.
в) Болезни растений.
Почти все растения подвержены бактериальному заражению. Большинство патогенов растений относятся к бациллам (палочковидным формам), многие из них паразитируют в растении - хозяине. Симптомы заболеваний, вызваны патогенными бактериям, разнообразны, большинство случаев - это пятна на стеблях, листьях, цветках и плодах. Многие наносящие экономический ущерб заболеваний растений, такие как ожог, яблонь и груши приводит к гибели молодых деревьев в течение одного сезона. Бактериальная мягкая гниль поражает мясистые запасающие части овощей, такие как клубни (картофель), луковицы, а также сочные плоды - томаты, баклажаны и мн. др. Бактериальные вилы проводящих тканей поражают только травянистые растения. Галл побегов, Галл сахарного тростника, волосяной или косматый корень, кольцевая гниль картофеля, пятнистость плодов, рак цитрусовых, ожог орехов, парша картофеля. Все эти заболевания растений вызваны микроорганизмами.
Микроорганизмы - это живые существа, имеющие своё строение и функции. Это существа, обитающие не в определённой точке Земного шара, а по всей планете. Их можно отнести: некоторых к полезным, а некоторых к вредителям, которые приводят к массовой гибели человека, животных и растений.
С древних времён человек использовал микроорганизмы для заготовки в прок фруктов и овощей, получение кисломолочных продуктов, в хлебопечении, виноделии, пивоварении. Сейчас область значения применения микроорганизмов в научной промышленности, в такой как селекция. Как правило, природные штампы микроорганизмов обладают незначительной "дозой" полезного для человека признака, поэтому после выделения микроорганизмов с нужным свойством, возникает задача усилить это свойство. В настоящее время такие задачи можно решить с помощью традиционных методов селекции или новых методов генетической и клеточной инженерии.
Генетическая инженерия - конструирование функционально активных химических структур (рекомбинантных ДНК), с последующим введением их в клетку прокариотного или эукариотного организма.
Клеточная инженерия - конструирование клеток с основным геном, путём искусственного объединения целых клеток. Селекция микроорганизмов и работа с их генетическим материалом значительно облегчает благодаря целому ряду свойств этих организмов. Они быстро растут и размножаются. Известно несколько этапов селекции.
1 этап - выделение или выбор микроорганизма, способного производить необходимый продукт. Выбор одного из многих разных организмов, способных производить один и тот же продукт, определяется многими факторами, например: продуктивностью, технологичностью организма, его изученностью и др.
2 этап - усиление способности отобранного организма к синтезу необходимого продукта.
Наиболее эффективный способ получения высокопродуктивных штампов - мутагенез. С некоторой долей условности можно считать, что бактериальная хромосома состоит из структурных и регулярных генов. В синтезе любого, даже самого простого вещества задействовано множество генов и ферментов. Для синтеза необходимо, чтобы в клетку поступил исходный материал - субстракт. Поступивший в клетку субстракт должен подвергнутся превращениям в процессе происхождения по метаболистическим путям, в результате чего образуется предшественник соответствующего продукта. В этом процессе также задействовано множество структурных и регулярных генов и ферментов. Таким образом, мутация, произошедшая в том или другом гене, может отразиться на образовании нужного продукта. В месте с тем, не всякая мутация может привести к сверхсинтезу интересующего селекционера вещества. Мутантные организмы могут быть получены и без какого-либо внешнего воздействия, в результате спонтанных мутаций. Однако вероятность их возникновения невелико. Для увеличения количества мутантных организмов используют индуцированный мутагенез. Клетки обрабатывают различными мутагенами: ионизирующим излучением или, чаще, УФ - светом; химическими мутагенами в виде растворов алкилирующих агентов или в виде газов. После определённого времени контакта мутагена с организмом, мутаген удаляют, а клетки высевают на соответствующею среду. В селекционной работе обычно используют такие дозы мутагенов, после воздействия которых выживает от 0,1 до 50-80% клеток. Среди колоний образованных клетками, подвергшимися действию мутагенов, проводится отбор мутантов с желательными свойствами. Известны два основных пути отбора мутантных штампов. Первый - это проверка результатов "случайных" мутаций с количественной оценкой искомого признака, например, синтеза аминокислоты, витамина и др. Этот приём используется в том случае, если селекционер не имеет сведений, его регуляции и т.д. При этом из выросших колоний отбирается подряд необходимое их количество и все они тотально проверяются на способность к синтезу искомого вещества.
Наиболее активные из отобранных продуцентов снова проводят мутагенному воздействию. Второй - это отбор мутантов, устойчивых к структурным аналогам метаболитов - аминокислот, пуринов, пиримидинов. Согласно этому методу, клетки, отобранные мутагеном, просевают в чашки Петри на минимальную среду, содержащий структурный аналог метаболита, например, аминокислоты. Этот аналог поступает в клетку и имитирует (для регуляторных систем клетки) избыток этого метаболита в среде, вызывая тем самым подавление синтеза настоящей аминокислоты. Клетки при этом расти, не могут т.к. структурный аналог аминокислоты не встраивается в полипептидную цепь и синтез белков прекращается. Однако через некоторое время появляются мутанты, преодолевшие тем или иным путём действие аналога и способных к дальнейшему развитию. Если при этом в результате мутации нарушалась регуляция синтеза аминокислоты т.е. синтез не подавляется даже при наличии избытка её в среде, то такие мутанты становятся сверхпродуцентами этого вещества. В этом случае все способные к росту и развитию клетки могут оказаться сверхпродуцентами. Бывает, что в результате мутации нарушается не регуляция синтеза вещества, а транспорт его аналога из среды в клетку. В этом случае синтез аминокислоты не подавляется, клетка растёт нормально, но сверхпродуцентом она не является. На основе использования мутагенеза удалось, например, повысить продуктивность штампов, синтезирующей пиницилин в 300-35 раз, а продуктивность штампов, образующих аминокислоту лизин в 300-400 раз Так же есть ещё один метод селекции микроорганизмов. Это один из методов клеточной инженерии - метод генетических рекомбинантов. Он основывается на слияние протопластов клеток.
После получения высокопродуктивного штампа какого-либо продукта встают проблемы хранения этого штампа и поддержания его высокой продуктивности. Существуют несколько методов длительного хранения культур продуцентов. Один из наиболее простых, но не самых эффектных методов является регулярный пересев штампа на свежую среду. При таком методе может происходить снижение продуктивности штампа из-за спонтанного метагенеза и постепенного отбора не самых высоко продуктивных клеток, а самых приспособленных к данным условиям культивирования.
В последние годы успешно применяется способ сохранения культур путём их глубокого и резкого замораживания, например, в жидком азоте, а в некоторых случаях и в сухом льде (в твёрдом состоянии).
Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельность в настоящее время широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.
Микробная биомасса используется как корм скоту. Микробная биомасса некоторых культур используется в виде разнообразных заквасок, которые применяются в пищевой промышленности. Так приготовлении хлеба, пива, вин, спирта, уксуса, кисломолочных продуктов сыров и многих продуктов. Другое важное направление-это использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности по природе этих веществ и по значимости для продуцента можно разделить на три группы.
1. группа - это крупные молекулы с молекулярной массой. Сюда относятся разнообразные ферменты (липазы и т.д.) и полисахариды. Использование их чрезвычайно широка - от пищевой и текстильной промышленности до нефтедобывающей.
2. группа - это первичные метаноболиты, к которым относится вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины и другие.
3. группа - вторичные метаноболиты. К ним относится: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста и др. Важное направление биотехнологии - использовании микроорганизмов как биотехнических агентов для превращения или трансформации некоторых веществ, очистки вод, почв или воздуха от загрязнителей. Также в добыче нефти микроорганизмы играют важную роль. Традиционным способом из нефтяного пласта извлекается не более 50% нефти. Продукты жизнедеятельности бактерий, накапливая в пласте, способствуют вытеснения нефти и более полному выходу её на поверхность.
Огромная роль микроорганизмов в создании поддержании и сохранении почвенного плодородия. Они принимают в участии в образовании почвенного перегноя - гумуса. Применяются в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.
В последние годы началось развиваться ещё одно принципиально новое направление биотехнологии - бес клеточная биотехнология.
Селекция микроорганизмов основана на том, что микроорганизмы приносят огромную пользу в промышленности, в сельском хозяйстве, в животном и растительном мире.
Существование вирусов было впервые установлено при изучении мозаичной болезни табака. До 1930-х годов вирусы рассматривались как мельчайшие бактерии. В 1933 году эта точка зрения была опровергнута. Уэндел Стэнли, работавший в Рокфеллеровском институте, получил экстракт вируса табачной мозаики и инфицированных растений и очистил его. Очищенный вирус осаждался в виде кристаллов. Кристаллизация - это один из главных тестов на наличии химически чистого соединения, не содержащего примеси: таким образом, стало ясно, что химической точки зрения вирус намного проще живого организма.
Империя до клеточных состоит из единственного царства - вирусы. Это мельчайшие организмы, их размеры от 12 до 500 мкм. Лишь самые крупные вирусы (оспа) можно увидеть при очень большом увеличении (в 1800 - 7200 раз) оптического микроскопа. Размеры мелких вирусов равны крупным молекулам белка. Вирусы - паразиты клеток животных, растений, бактерий. Вирусы бактерий называются - бактериофагами.
Важнейшие особенности Они могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не могут размножаться вне клеток тех организмов, в которых паразитируют.
Содержат лишь один из типов нуклеиновых кислот ДНК или РНК.
Вирусы в первые были открыты в 1892 г. выдающимся русским биологом Д.И. Ивановым, который стал основателем вирусологии.
Сейчас известно около 200 форм животных вирусов, 170 растительных вирусов и 50 бактериальных вирусов. Никто не знает, сколько существует вирусов, почти всегда можно выделить новые вирусы.
Немалую роль вирусы играют в эволюции организмов. Вирусы - мощный мутагенный фактор. После вирусных заболеваний у человека и животных резко возрастает число повреждённых хромосом. Таким образом, вирусы являются поставщиками новых мутаций для естественного отбора. Геном вируса может включаться в геном хозяина, и вирусы могут переносить генетическую информацию. С помощью электронного микроскопа изучена структура вирусов. Вирус табачной мозаики, например имеет палочковидную форму; его длина составляет 300нм и диаметр 15нм. В состав вируса входит единственная молекула РНК в 6000 нуклеотидов. Выводя основные группы вирусов такие как РНК - содержащиеся вирусы, ДНК - содержащиеся вирусы, вироиды и многие другие. Одно-цепочные РНК - содержащиеся вирусы подразделяются на вирусы позитивным (плюс нитевым) и негативным (минус нитевым) геномами. В первом случае РНК функционирует как матричная, во втором случае на ней образуется комплиментарная цепь, которая служит для синтеза мРНК вируса. Позитивные делятся на оболочные и безоболочные. Например, вирус табачной мозаики имеет оболочку, а вирус полиамилита и ящура не имеет оболочку. К позитивным вирусам относятся арбовирусы они переносят жёлтую лихорадку.
Негативные вирусы вызывают бешенство, корь, свинка, болезнь Ньюкасла домашних птиц.
ДНК содержащиеся вирусы вызывают паппиломы и герпес. Заражение герпесом приводит к появлению язвенных и гнойных пузырьков. Также герпес вызывает заболевание половых органов, ветряную оспу, лишай и некоторые виды рака. Гепатит "Б" вызывает, содержащиеся частично двух цепочную ДНК, а гепатит "А" вызывает РНК - содержащихся вирусов. Вероиды - это мельчайшие из известных возбудителей болезни; они намного меньше вирусных генов и лишены белковой оболочки. Известные вероиды растений, они состоят из однонитевой молекулы РНК, которая автономно реплицируется в заряжённых клетках. Один из вироидов стал причиной гибели миллионов кокосовых пальм на Филиппинах.
Вирусы также поражают бактерии, которые называются бактериофагами или фагами. Один из распространенных фагов - Т4. Он имеет сложную структуру, чем у вирусов. Длина его 100нм, а сам фаг состоит из пяти "частей": чехла отростка, способного к сокращению, базальной пластинки и нитей отростка. Длинная молекула ДНК уложена в виде спирали головки фага.
Вирусы размножаются, используя генетический аппарат клетки. Размножение вируса происходит в три этапа: вирусные нуклеиновые кислоты "заставляют" клетку синтезировать новые вирусы ферменты; синтезируются в необходимом количестве вирус специфические нуклеиновых кислот и белков; происходит сборка вирусных частей.
Основное свойство вирусов - инфекция!
В современном мире человечество ищет такой препарат, который мог бы заставить исчезнуть СПИДу.
Синдром приобретённого иммунной дефицита (СПИД) впервые обнаружен в 1981 году в Калифорнии (США). Вирус иммунной дефицита человека (ВИЧ) передаётся через кровь и поражает иммунную систему человека, который становится беззащитным против других болезней. Человек, заражённый СПИДом, может не болеть в течение пяти лет. Лекарств против СПИДа нет. И ещё не удалось спасти ни одного человека. В 1993 году число заражённых СПИДом достигло 15 миллионов человек. Первое декабря объявлен днём всемирной борьбы с о СПИДом. Единственная спасение от СПИДа - личная профилактика т.е.:
Пользование одноразовыми шприцами.
Личная гигиена.
Пользоваться презервативами.
Оспа - вирусная инфекционная болезнь, исчезнувшая в 20 веке в бывшем СССР, оспа не отмечалась с 1937 года. Последний случай был зарегистрирован осенью 1977 году в Эфиопии. В 1980 году "ВОЗ" (всемирная организация здравоохранения) официально объявила о полной ликвидации оспы на Земле.
И наконец грипп, который образует целые эпидемии приводящие к летальному исходу. Зимой 1968/69 года в США было зарегистрировано 50 млн. случаев кон конского гриппа, при этом 70000 человек погибло. Колоссальная эпидемия гриппа 1918/19 г. охватила весь земной шар, проходила в виде трёх волн и унесла 20 млн. человек.
Более тысячи известных заболеваний растений вызываются вирусами, относящиеся примерно к 100 различным типам. Вирусные болезни растений, как правило, распространяются с помощью беспозвоночных - насекомых. Сосущие насекомые, такие как тля и цикадки переносят вирус вместе с соком. Вирусы растений содержат РНК, за исключением каулимовирусы и геминивирусы. В большинстве случаев капсид вирусов растений состоит из одного типа белка.
Вирусы вызывают рак у многих групп животных. Помимо ретро вирусов существует группа ДНК - содержащиеся. Герпесвирусов (вирус Эпгитейна-Барр), вызывающий два типа рака у человека.
Вирусы - это паразиты. Поражающие все живые организмы включая бактерии. Они создают великую угрозу для человека. Проявляют неизлечимые болезни.
|
