Принципы систематики и классификации бактерий.

Лекция № 1 . История развития микробиологии, вирусологии и иммунологии. Предмет, методы, задачи .

1.Введение

Микробиология (от греч. micros- малый, bios- жизнь, logos- учение, т.е. учение о малых формах жизни) - наука, изучающая организмы, неразличимые (невидимые) невооруженным какой- либо оптикой глазом, которые за свои микроскопические размеры называют микроорганизмы (микробы).

Предметом изучения микробиологии является их морфология, физиология, генетика, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни.

В таксономическом отношении микроорганизмы очень разнообразны. Они включают прионы, вирусы, бактерии, водоросли, грибы, простейшие и даже микроскопические многоклеточные животные.

По наличию и строению клеток вся живая природа может быть разделена на прокариоты (не имеющие истинного ядра), эукариоты (имеющие ядро) и не имеющие клеточного строения формы жизни. Последние для своего существования нуждаются в клетках, т.е. являются внутриклеточными формами жизни (рис.1).

По уровню организации геномов, наличию и составу белоксинтезирующих систем и клеточной стенки все живое делят на 4 царства жизни: эукариоты, эубактерии, архебактерии, вирусы и плазмиды.

К прокариотам , объединяющим эубактерии и архебактерии, относят бактерии, низшие (сине- зеленые) водоросли, спирохеты, актиномицеты, архебактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы. Простейшие, дрожжи и нитчатые грибы- эукариоты .

Микроорганизмы - это невидимые простым глазом представители всех царств жизни. Они занимают низшие (наиболее древние) ступени эволюции, но играют важнейшую роль в экономике, круговороте веществ в природе, в нормальном существовании и патологии растений, животных, человека.

Микроорганизмы заселяли Землю еще 3- 4 млрд. лет назад, задолго до появления высших растений и животных. Микробы представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых существ. Микроорганизмы чрезвычайно широко распространены в природе и являются единственными формами живой материи, заселяющими любые, самые разнообразные субстраты (среды обитания ), включая и более высокоорганизованные организмы животного и растительного мира.

Можно сказать, что без микроорганизмов жизнь в ее современных формах была бы просто невозможна .

Микроорганизмы создали атмосферу, осуществляют круговорот веществ и энергии в природе, расщепление органических соединений и синтез белка, способствуют плодородию почв, образованию нефти и каменного угля, выветриванию горных пород, многим другим природным явлениям.

С помощью микроорганизмов осуществляются важные производственные процессы - хлебопечение, виноделие и пивоварение, производство органических кислот, ферментов, пищевых белков, гормонов, антибиотиков и других лекарственных препаратов.

Микроорганизмы как никакая другая форма жизни испытывает воздействие разнообразных природных и антропических (связанных с деятельностью людей) факторов, что, с учетом их короткого срока жизни и высокой скорости размножения, способствует их быстрому эволюционированию.

Наибольшую печальную известность имеют патогенные микроорганизмы (микробы- патогены) - возбудители заболеваний человека, животных, растений, насекомых. Микроорганизмы, приобретающие в процессе эволюции патогенность для человека (способность вызывать заболевания), вызывают эпидемии , уносящие миллионы жизней. До настоящего времени вызываемые микроорганизмами инфекционные заболевания остаются одной из основных причин смертности, причиняют существенный ущерб экономике.

Изменчивость патогенных микроорганизмов составляет основную движущую силу в развитии и совершенствовании систем защиты высших животных и человека от всего чужеродного (чужеродной генетической информации). Более того, микроорганизмы являлись до недавнего времени важным фактором естественного отбора в человеческой популяции (пример- чума и современное распространение групп крови). В настоящее время вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) посягнул на святое святых человека - его иммунную систему.

2. Основные этапы развития микробиологии, вирусологии и иммунологии

1.Эмпирических знаний (до изобретения микроскопов и их применения для изучения микромира).

Джакомо Фракасторо (1546г.) предположил живую природу агентов инфекционных заболеваний- contagium vivum.

2.Морфологический период занял около двухсот лет.

Антони ван Левенгук в 1675г. впервые описал простейших, в 1683г.- основные формы бактерий. Несовершенство приборов (максимальное увеличение микроскопов X300) и методов изучения микромира не способствовало быстрому накоплению научных знаний о микроорганизмах.

3.Физиологический период (с 1875г.)- эпоха Л.Пастера и Р.Коха.

Л.Пастер- изучение микробиологических основ процессов брожения и гниения, развитие промышленной микробиологии, выяснение роли микроорганизмов в кругообороте веществ в природе, открытие анаэробных микроорганизмов, разработка принципов асептики, методов стерилизации, ослабления (аттенуации) вирулентности и получения вакцин (вакцинных штаммов).

Р.Кох- метод выделения чистых культур на твердых питательных средах, способы окраски бактерий анилиновыми красителями, открытие возбудителей сибирской язвы, холеры (запятой Коха ), туберкулеза (палочки Коха), совершенствованиетехники микроскопии. Экспериментальное обоснование критериев Хенле, известные как постулаты (триада) Хенле - Коха.

4.Иммунологический период.

И.И.Мечников- “поэт микробиологии” по образному определению Эмиля Ру. Он создал новую эпоху в микробиологии - учение о невосприимчивости (иммунитете), разработав теорию фагоцитоза и обосновав клеточную теорию иммунитета.

Одновременно накапливались данные о выработке в организме антител против бактерий и их токсинов, позволившие П.Эрлиху разработать гуморальную теорию иммунитета. В последующей многолетней и плодотворной дискуссии между сторонниками фагоцитарной и гуморальной теорий были раскрыты многие механизмы иммунитета и родилась наука иммунология .

В дальнейшем было установлено, что наследственный и приобретенный иммунитет зависит от согласованной деятельности пяти основных систем: макрофагов, комплемента, Т- и В- лимфоцитов, интерферонов, главной системы гистосовместимости, обеспечивающих различные формы иммунного ответа. И.И.Мечникову и П.Эрлиху в 1908г. была присуждена Нобелевская премия.

12 февраля 1892г. на заседании Российской академии наук Д.И.Ивановский сообщил, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус. Эту дату можно считать днем рождения вирусологии , а Д.И.Ивановского- ее основоположником. Впоследствии оказалось, что вирусы вызывают заболевания не только растений, но и человека, животных и даже бактерий. Однако только после установления природы гена и генетического кода вирусы были отнесены к живой природе.

5. Следующим важным этапом в развитии микробиологии стало открытие антибиотиков . В 1929г. А.Флеминг открыл пенициллин и началась эра антибиотикотерапии, приведшая к революционному прогрессу медицины. В дальнейшем выяснилось, что микробы приспосабливаются к антибиотикам, а изучение механизмов лекарственной устойчивости привело к открытию второго- внехромосомного (плазмидного) генома бактерий.

Изучение плазмид показало, что они представляют собой еще более просто устроенные организмы, чем вирусы, и в отличии от бактериофагов не вредят бактериям, а наделяют их дополнительными биологическими свойствами. Открытие плазмид существенно дополнило представления о формах существования жизни и возможных путях ее эволюции.

6. Современный молекулярно- генетический этап развития микробиологии, вирусологии и иммунологии начался во второй половине 20 века в связи с достижениями генетики и молекулярной биологии, созданием электронного микроскопа.

В опытах на бактериях была доказана роль ДНК в передаче наследственных признаков. Использование бактерий, вирусов, а затем и плазмид в качестве объектов молекулярно- биологических и генетических исследований привело к более глубокому пониманию фундаментальных процессов, лежащих в основе жизни. Выяснение принципов кодирования генетической информации в ДНК бактерий и установление универсальности генетического кода позволило лучше понимать молекулярно- генетические закономерности, свойственные более высоко организованным организмам.

Расшифровка генома кишечной палочки сделало возможным конструирование и пересадку генов. К настоящему времени генная инженерия создала новые направления биотехнологии .

Расшифрованы молекулярно- генетическая организация многих вирусов и механизмы их взаимодействия с клетками, установлены способность вирусной ДНК встраиваться в геном чувствительной клетки и основные механизмы вирусного канцерогенеза.

Подлинную революцию претерпела иммунология, далеко вышедшая за рамки инфекционной иммунологии и ставшая одной из наиболее важных фундаментальных медико-биологических дисциплин. К настоящему времени иммунология- это наука, изучающая не только защиту от инфекций. В современном понимании иммунология- это наука, изучающая механизмы самозащиты организма от всего генетически чужеродного, поддержании структурной и функциональной целостности организма.

Иммунология в настоящее время включает ряд специализированных направлений, среди которых, наряду с инфекционной иммунологией, к наиболее значимым относятся иммуногенетика, иммуноморфология, трансплантационная иммунология, иммунопатология, иммуногематология, онкоиммунология, иммунология онтогенеза, вакцинология и прикладная иммунодиагностика.

Микробиология и вирусология как фундаментальные биологические науки также включают ряд самостоятельных научных дисциплин со своими целями и задачами: общую, техническую (промышленную), сельскохозяйственную, ветеринарную и имеющую наибольшее значение для человечества медицинскую микробиологию и вирусологию.

Медицинская микробиология и вирусология изучает возбудителей инфекционных болезней человека (их морфологию, физиологию, экологию, биологические и генетические характеристики), разрабатывает методы их культивирования и идентификации, специфические методы их диагностики, лечения и профилактики.

7.Перспективы развития .

На пороге XXI века микробиология, вирусология и иммунология представляют одно из ведущих направлений биологии и медицины, интенсивно развивающееся и расширяющее границы человеческих знаний.

Иммунология вплотную подошла к регулированию механизмов самозащиты организма, коррекции иммунодефицитов, решению проблемы СПИДа, борьбе с онкозаболеваниями.

Создаются новые генно-инженерные вакцины, появляются новые данные об открытии инфекционных агентов - возбудителей “соматических” заболеваний (язвенная болезнь желудка, гастриты, гепатиты, инфаркт миокарда, склероз, отдельные формы бронхиальной астмы, шизофрения и др.).

Появилось понятие о новых и возвращающийся инфекциях (emerging and reemerging infections). Примеры реставрации старых патогенов- микобактерии туберкулеза, риккетсии группы клещевой пятнистой лихорадки и ряд других возбудителей природноочаговых инфекций. Среди новых патогенов- вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), легионеллы, бартонеллы, эрлихии, хеликобактер, хламидии (Chlamydia pneumoniae). Наконец, открыты вироиды и прионы - новые классы инфекционных агентов.

Вироиды - инфекционные агенты, вызывающие у растений поражения, сходные с вирусными, однако эти возбудители отличаются от вирусов рядом признаков: отсутствием белковой оболочки (голая инфекционная РНК), антигенных свойств, одноцепочечной кольцевой структурой РНК (из вирусов - только у вируса гепатита D), малыми размерами РНК.

Прионы (proteinaceous infectious particle- белкоподобная инфекционная частица) представляют лишенные РНК белковые структуры, являющиеся возбудителями некоторых медленных инфекций человека и животных, характеризующихся летальными поражениями центральной нервной системы по типу губкообразных энцефалопатий - куру, болезнь Крейтцфельдта - Якоба, синдром Герстманна- Страусслера- Шайнкера, амниотрофический лейкоспонгиоз, губкообразная энцефалопатия коров (коровье “бешенство”), скрепи у овец, энцефалопатия норок, хроническая изнуряющая болезнь оленей и лосей. Предполагается, что прионы могут иметь значение в этиологии шизофрении, миопатий. Существенные отличия от вирусов, прежде всего отсутствие собственного генома, не позволяют пока рассматривать прионы в качестве представителей живой природы.

3. Задачи медицинской микробиологии.

К ним можно отнести следующие:

1.Установление этиологической (причинной) роли микроорганизмов в норме и патологии.

2.Разработка методов диагностики, специфической профилактики и лечения инфекционных заболеваний, индикации (выявления) и идентификации (определения) возбудителей.

3. Бактериологический и вирусологический контроль окружающей среды, продуктов питания, соблюдения режима стерилизации и надзор за источниками инфекции в лечебных и детских учреждениях.

4.Контроль за чувствительностью микроорганизмов к антибиотикам и другим лечебным препаратам, состоянием микробиоценозов (микрофлорой) повехностей и полостей тела человека.

4.Методы микробиологической диагностики.

Методы лабораторной диагностики инфекционных агентов многочисленны, к основным можно отнести следующие.

1. Микроскопический- с использованием приборов для микроскопии. Определяют форму, размеры, взаиморасположение микроорганизмов, их структуру, способность окрашиваться определенными красителями.

К основным способам микроскопии можно отнести световую микроскопию (с разновидностями- иммерсионная, темнопольная, фазово - контрастная, люминесцентная и др.) и электронную микроскопию. К этим методам можно также отнести авторадиографию (изотопный метод выявления).

2.Микробиологический (бактериологический и вирусологический) - выделение чистой культуры и ее идентификация.

3.Биологический - заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях (биопроба).

4.Иммунологический (варианты - серологический, аллергологический) - используется для выявления антигенов возбудителя или антител к ним.

5.Молекулярно- генетический – ДНК - и РНК- зонды, полимеразная цепная реакция (ПЦР) и многие другие.

Заключая изложенный материал, необходимо отметить теоретическое значение современной микробиологии, вирусологии и иммунологии. Достижения этих наук позволили изучить фундаментальные процессы жизнедеятельности на молекулярно- генетическом уровне. Они обусловливают современное понимание сущности механизмов развития многих заболеваний и направления их более эффективного предупреждения и лечения.

Лекция № 2 . Систематика и морфология микроорганизмов.

1. Систематика микроорганизмов.

Систематика- распределение микроорганизмов в соответствии с их происхождением и биологическим сходством. Систематика занимается всесторонним описанием видов организмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные по уровню родства классификационные единицы- таксоны. Основные вопросы, решаемые при систематике (три аспекта, три кита систематики)- классификация, идентификация и номенклатура.

Классификация- распределение (объединение) организмов в соответствии с их общими свойствами (сходными генотипическими и фентипическими признаками) по различным таксонам.

Таксономия- наука о методах и принципах распределения (классификации) организмов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто используют следующие таксономические единицы (таксоны)- штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны- семейство, порядок, класс.

В современном представлении вид в микробиологии - совокупность микроорганизмов, имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генетической гомологии, как правило более 60%) и максимально близкие фенотипические характеристики.

Нумерическая (численная) таксономия основывается на использовании максимального количества сопоставляемых признаков и математическом учете степени соответствия. Больщое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняло классификацию.

При изучении, идентификации и классификации микроорганизмов чаще всего изучают следующие (гено- и фенотипические) характеристики:

1.Морфологические- форма, величина, особенности взаиморасположения, структура.

2.Тинкториальные- отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму . По этому признаку все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные .

Морфологические свойства и отношение к окраску по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микроорганизм к крупным таксонам- семейству, роду.

3.Культуральные- характер роста микроорганизма на питательных средах.

4.Биохимические- способность ферментировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др.), образовывать в процессе жизнедеятельности различные биохимические продукты за счет активности различных ферментных систем и особенностей обмена веществ.

5.Антигенные- зависят преимущественно от химического состава и строения клеточной стенки, наличия жгутиков, капсулы, распознаются по способности макроорганизма (хозяина) вырабатывать антитела и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунологических реакциях.

6.Физиологические- способы углеводного (аутотрофы, гетеротрофы) , азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дыхания (аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы) .

7.Подвижность и типы движения.

8.Способность к спорообразованию , характер спор.

9.Чувствительность к бактериофагам, фаготипирование.

10.Химический состав клеточных стенок- основные сахара и аминокислоты, липидный и жинокислотный состав.

11.Белковый спектр (полипептидный профиль).

12.Чувствительность к антибиотикам и другим лекарственным препаратам.

13.Генотипические (использование методов геносистематики).

В последние десятилетия для классификации микроорганизмов, помимо их фенотипических характеристик (см. пп.1- 12), все более широко и эффективно используются различные генетические методы (изучение генотипа- генотипических свойств). Используются все более совершенные методы- рестрикционный анализ, ДНК- ДНК гибридизация, ПЦР, сиквенс и др. В основе большинства методов лежит принцип определения степени гомологии генетического материала (ДНК, РНК). При этом чаще исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60% (для некоторых групп микроорганизмов- 80%) свидетельствует о принадлежности микроорганизмов к одному виду (различные генотипы - один геновид), 40- 60%- к одному роду.

Идентификация.

Основные фено- и генотипические характеристики, используемые для классификации микроорганизмов, используются и для идентификации, т.е. установления их таксономического положения и прежде всего видовой принадлежности- наиболее важного аспекта микробиологической диагностики инфекционных заболеваний. Идентификация осуществляется на основе изучения фено- и генотипических характеристик изучаемого инфекционного агента и сравнения их с характеристиками известных видов. При этой работе часто применяют эталонные штаммы микроорганизмов, стандартные антигены и иммунные сыворотки к известным прототипным микроорганизмам. У патогенных микроорганизмов чаще изучают морфологические, тинкториальные, культуральные, биохимические и антигенные свойства.

Номенклатура- название микроорганизмов в соответствии с международными правилами. Для обозначения видов бактерий используют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры- Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.

В микробиологии часто используется и ряд других терминов для характеристики микроорганизмов.

Штамм - любой конкретный образец (изолят) данного вида. Штаммы одного вида, различающиеся по антигенным характеристикам, называют серотипами (серовариантами- сокращенно сероварами) , по чувствительности к специфическим фагам- фаготипами , биохимическим свойствам- хемоварами , по биологическим свойствам- биоварами и т.д.

Колония - видимая изолированная структура при размножении бактерий на плотных питательных средах, может развиваться из одной или нескольких родительских клеток. Если колония развилась из одной родительской клетки, то потомство называется клон.

Культура - вся совокупность микроорганизмов одного вида, выросших на плотной или жидкой питательной среде.

Основной принцип бактериологической работы- выделение и изучение свойств только чистых (однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур .

ЛФ, ФИУ, ПФ. Занятие № 1

А. Основные положения

Определение терминов «микробиология» и «микроорганизм».

Микробиология – это наука, изучающая микроорганизмы – биологические объекты, которые из-за своих малых размеров видны лишь в микроскоп.

Классификация микробиологических наук.

В комплекс микробиологических наук входят общая микробиология, бактериология, микология, протозоология и вирусология, а также медицинская, санитарная, ветеринарная и промышленная микробиология.

Задачи медицинской микробиологии.

Медицинская микробиология изучает те микроорганизмы, которые могут вызывать у человека патологические процессы, а также патогенез, микробиологическую диагностику, этиотропное лечение и профилактику микробных заболеваний.

Микробиологические методы исследования (диагностики).

К микробиологическим методам исследования (диагностики) относятся: микроскопический (обнаружение микроба-возбудителя в патологическом материале с помощью микроскопии), культуральный (выделение микроба-возбудителя из патологического материала в чистой культуре и его идентификация), биологический (заражение патологическим материалом лабораторного животного), иммунологический (обнаружение специфических антител или микробных антигенов).

История развития микробиологии: описательный период, физиологический (пастеровский) период, иммунологический период, современный период.

В описательный период был изобретен микроскоп и открыты микроорганизмы, в физиологический (пастеровский) – разработаны методы культивирования микроорганизмов и открыты первые возбудители микробных заболеваний человека, в иммунологический – открыт иммунитет, в современный – разработаны молекулярные методы исследования.

Заслуги Пастера.

Пастер открыл стафилококк, пневмококк, клостридии, разработал первые живые вакцины, а также метод стерилизации пищевых продуктов – пастеризацию.

Заслуги Коха.

Кох открыл возбудителей сибирской язвы, холеры, туберкулёза, ввёл использование плотных питательных сред, методов окраски мазков, оснастил микроскоп иммерсионным объективом.

Развитие микробиологии в Беларуси.

Первую на территории Беларуси попытку использовать микроскоп с медицинской целью предпринял основатель Медицинской академии в Гродно Жилибер, становление микробиологической науки в Беларуси связано с именем Эльберта, основоположником белорусской вирусологии является Вотяков.

Типы таксономии биологических объектов.

Филогенетическая систематика в один таксон объединяет объекты, имеющие общий корень происхождения, практическая систематика в один таксон объединяет объекты, схожие по своим признакам.

Признаки, лежащие в основе современной таксономии микроорганизмов.

Иерархическая система таксонов, применяемых в бактериологии и в вирусологии.

У прокариот (бактерий) основной таксономической единицей является вид, включающий в себя подвидовые категории (вариант, штамм, клон), виды объединяются в роды, роды – в семейства, семейства – в порядки; у вирусов таксоны располагаются в восходящем порядке: варианты вируса, название вируса, род (основная таксономическая единица в вирусологии), семейство, подцарство, царство.

Методы микроскопии.

В микробиологии используют электронную и световую микроскопию; световая микроскопия может быть обычной, иммерсионной (наиболее часто используется в бактериологии), тёмнопольной, фазово-контрастной, люминесцентной (флуоресцентной).

Методы окраски мазков.

При простых методах окраски мазков используется одна краска (метиленовый синий, водный фуксин), при сложных – ряд красок в определённой последовательности (окраски по Граму, по Цилю-Нильсену, по Нейссеру, по Бурри-Гинсу).

Б. Лекционный курс

В. Теоретический материал

МИКРОБИОЛОГИЯ КАК НАУКА

1.1. Определение

Микробиология – это наука, изучающая микроорганизмы (или, как их ещё называют, микробы – микроскопические объекты). Микроорганизмы – это такие биологические объекты, которые из-за своих малых размеров видны лишь в микроскоп.

1.2. Классификация микробиологических наук

Микробиология представляет собой целый комплекс биологических наук, которые можно классифицировать или по объекту изучения или по прикладным целям.

А. В зависимости от объекта изучения различают общую микробиологию и так называемые частные микробиологические науки (бактериология, микология, протозоология и вирусология).

1. Общая микробиология изучает общие закономерности структуры и функционирования микробной клетки.

2. Бактериология изучает прокариотические микроорганизмы – бактерии.

3. Микология изучает микроскопические грибки (эти микроорганизмы являются эукариотами).

4. Протозоология изучает простейшие (клетки которых, как и у грибков, имеют эукариотический тип строения).

5. Вирусология изучает микроорганизмы, представляющие собой неклеточную форму жизни – вирусы.

Б. По прикладным целям изучения различают медицинскую, санитарную, ветеринарную, промышленную, почвенную, морскую и космическую микробиологию.

1. Медицинская микробиология изучает микроорганизмы, имеющие медицинское значение. Её задачи более подробно будут изложены ниже.

2. Санитарная микробиология изучает микробиологические аспекты безопасности человека. Её изучают на медико-профилактических (санитарно-гигиенических) факультетах медицинских высших учебных заведений. Выпускники этих факультетов составляет костяк сотрудников Центров гигиены и эпидемиологии (санитарно-гигиенических станций).

3. Ветеринарная микробиология изучает микроорганизмы, вызывающие патологические процессы у животных.

4. Промышленная микробиология занимается вопросами использования микроорганизмов как источников получения необходимых веществ в промышленных масштабах. На предприятиях микробиологической промышленности производят антибиотики, витамины, аминокислоты и другие биологически активные вещества. Кроме этого, специалисты промышленной микробиологии работают в пищевой, химической и других отраслях производства.

5. Почвенная микробиология изучает микроорганизмы, обитающие в почве. Эти микробы играют большую роль в жизни растений.

6. Морская микробиология изучает микроорганизмы мирового океана.

7. Космическая микробиология изучает взаимодействие человеческого организма с микробами в условиях космического полёта, а также занимается поисками микроорганизмов внеземного происхождения.

1.3. Задачи медицинской микробиологии

Медицинская микробиология изучает патогенные, условно-патогенные и синантропные микроорганизмы , т.е. такие микробы которые вызывают в человеческом организме патологические процессы или могут их вызывать в определённых условиях, а также микробы, населяющие человеческий организм и сосуществующие с ним на условиях, преимущественно, комменсализма. Кроме этого, медицинская микробиология изучает процессы взаимоотношения этих микробов с человеческим организмом .

А. Таким образом, медицинская микробиология изучает, прежде всего, структуру и биологические свойства патогенных, условно-патогенных и синантропных микроорганизмов.

Б. Однако этим ни в коей мере не исчерпывается список задач, стоящих перед медицинской микробиологией. Исключительно большое значение играет изучение особенностей протекания того процесса, который называется инфекционным. Под этим термином понимают совокупность всех тех событий, которыми сопровождается сосуществования микроба и человеческого организма. Часто этот процесс обозначается термином «инфекция ».

1. Медицинская микробиология изучает патогенез инфекций. Под этим термином понимают те особенности взаимоотношений микроба и макроорганизма, которые приводят к развитию в человеческом организме патологического процесса.

2. Задачей медицинской микробиологии является также разработка специфических методов диагностики микробных заболеваний.

3. Медицинская микробиология разрабатывается также методылечения микробных заболеваний. Причем приоритет отдаётся тем препаратам, которые действуют на причину (этиологию ) данного микробного заболевания, то есть на сам микроорганизм. Такая терапия называется этиотропной .

4. И, наконец, медицинская микробиология занимается разработкой методов профилактики микробных заболеваний. Особое внимание при этом уделяется опять же тем методам, которые направлены не на профилактику определённой группы схожих инфекций, а на предупреждения конкретного заболевания. Такая профилактика называется специфической .

1.4. Микробиологические методы исследования

Медицинская микробиология оперирует четырьмя основными методами исследования (диагностики): микроскопическим, культуральным, экспериментальным (биологическим) и иммунологическим (иммунобиологическим).

А. Микроскопический метод диагностики основан на микроскопии мазка, приготовленного из патологического материала с целью обнаружения в нём микроорганизмов. Под патологическим материалом понимают любой материал (кровь, моча, кал, раневое отделяемое, пункта, образец объекта внешней среды и т.д.), в котором может находиться возбудитель микробного патологического процесса или другой микроорганизма, представляющий интерес для медицинской микробиологии. В зависимости от объекта исследования, данный метод носит так же названия бактериоскопический, микоскопический, вирусоскопический .

Б. Культуральный метод диагностики основан на выделении из патологического материала чистой культуры микроорганизма (т.е. такой культуры, которая содержит особи только одного вида) и дальнейшей её идентификации.

В. Экспериментальный (или биологический) метод диагностики основан на введении патологического материала в организм лабораторного животного и дальнейшей регистрации изменений его состояния: если в патологическом материале присутствовал патогенный микроб, то лабораторное животное заболевает или даже погибает. При этом учитываются специфические клинические симптомы, проявляющиеся во время болезни животного, а также специфические изменения внутренних органов, выявляемые при вскрытии его трупа. Из органов животного можно приготовить мазки или выделить чистую культуру. В этом случае этот метод диагностики сочетается с микроскопическим и, при нужде, с культуральным.

Г. Иммунологический (или иммунобиологический) метод диагностики на самом деле представляет собой совокупность методов, общим для которых служит использование в диагностических целях иммунологических реакций. Более детально эти методы рассматриваются в курсе иммунологии.

1. Наиболее широко при иммунологическом методе диагностики используются серологические реакции – так называются реакции между антигеном и антителом, проводимые in vitro.

а. С помощью серологических реакций можно выявлять антигены микробов . В этом случае смешивают взвесь исследуемых микроорганизмов и специальные диагностические сыворотки, содержащие известные антитела.

1 . При этом микробные антигены можно выявлять непосредственно в патологическом материале , без предварительного выделения из него чистой культуры. Такой метод позволяет сделать вывод о наличии, например, в организме больного возбудителя инфекционного заболевания в считанные часы. Поэтому он носит название экспресс-диагностика .

2 . Микробные антигены идентифицируют так же в чистой культуре микроорганизма, предварительно выделенной из патологического материала. В этом случае говорят о серологической идентификации выделенной культуры. Такую идентификацию осуществляют на последнем этапе культурального метода исследования.

б. Серологические реакции можно так же использовать для выявления антител против микробных антигенов. В этом случае смешивают диагностикум (взвесь известного антигена) и сыворотку крови больного. Такой способ диагностики микробных заболеваний называется серодиагностика .

2. Кожно-аллергические пробы используются для выявления специфической гиперчувствительности (аллергии) к аллергенам, в том числе микробным. Из взвесь вводят больному внутри- или накожно.

3. В настоящее время в диагностике всё шире применяются методы оценки иммунного статуса , позволяющие выявить нарушения иммунологического реагирования организма человека, в том числе на микробные, антигены.

1.5. История развития микробиологии

Истории микробиологии выделяют четыре периода.

А. Первый период называется описательный .

1. Он длился с конца XVII до середины ХХ в .

2. В этот период произошло открытие мира микроорганизмов и описание внешнего вида большинства бактерий.

3. Ключевой фигурой этого периода является изобретатель микроскопа и первый человек, увидевший удивительный и таинственный мир микроорганизмов – Левенгук (Рис. 1-1).

Рис.1-1 Левенгук

Б. Второй период развития микробиологии носит название физиологический (или, как его ещё называют по имени, пожалуй, самого выдающегося микробиолога всех времён и народов –пастеровский) .

1. Второй период охватывает время с середины XIX до начала ХХ в .

2. Этот период развития микробиологии характеризуется началом изучения жизнедеятельности (физиологии) бактериальной клетки, открытием болезнетворных бактерий, началом научной микробиологии.

3. Развитие микробиологии в этот период практически полностью определяли два великих учёных, ставших основоположниками научной микробиологии – Пастер (Рис. 1-2) и Кох (Рис. 1-3). Их заслуги настолько значительны, что будет справедливым рассмотреть их чуть ниже, выделив в самостоятельный раздел.

Рис. 1-2. Пастер

Рис.1-3 Кох

В. Третий период развития микробиологии называется иммунологический .

1. Он продолжался с начала до середины ХХ века .

2. Как следует из названия, третий период развития микробиологии характеризуется прежде всего открытием иммунитета и началом развития иммунологии.

3. Из наиболее заслуженных учёных, работавших в этот период, необходимо упомянуть Мечникова, Эрлиха, Флеминга, Домагка иИвановского.

а. Мечников (Рис. 1-4) разработал клеточную теорию иммунитета .

б. Эрлих (Рис. 1-5) разработал гуморальную теорию иммунитета , он же является основоположником химиотерапии инфекционных заболеваний .

в. Флеминг (Рис. 1-6) открыл пенициллин .

г. Домагк положил начало применению сульфаниламидов в медицинской практике.

д. Ивановский (рис. 1-7) открыл вирусы .

Г. Последний период развития микробиологии называется, что понятно, современным .

1. Начался он с середины ХХ в .

2. Характеризуется современный период развития микробиологии разработкой молекулярных методов исследования .

3. Из учёных этого периода необходимо упомянуть Львова, Портера, Эдельмана, Бернета, Галло, Монтанье, Пруссинера.

Рис. 1-8. Львов

Рис. 1-9. Бернет

Рис. 1-10. Прусинер

а. Львов (Рис. 1-8) открыл способность вирусов сохраняться в виде интегрированных в хромосому клетки-хозяина нуклеотидных последовательностей, которые были названы провирусом . Это открытие революционным образом изменило представление о молекулярных механизмах взаимодействия вируса с инфицированной клеткой.

б. Работы Портера и Эдельмана позволили понять строение иммуноглобулинов (антител) .

в. Бернет (Рис. 1-9) сформулировал клонально-селекционную теорию иммунитета , лежащую в основе современных взглядов на функционирование иммунной системы.

г. Галло и Монтанье открыли вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) – самый страшный из инфекционных агентов, с которыми когда-либо сталкивалось человечество. В настоящее время пандемия ВИЧ-инфекции не контролируется всемирным здравоохранением и несёт реальную угрозу существования вида Homo sapiens.

д. Прусинер (Рис. 1-10) открыл прионы – инфекционные белки, по всей видимости, не содержащие нуклеиновых кислот. Прионовые инфекции – губчатые энцефалопатии – абсолютно смертельные заболевания, не поддающиеся лечению.

1.6. Основоположники научной микробиологии Пастер и Кох

Пастер и Кох – два величайших учёных, подобно двум атлантам, держат на своих плечах всё грандиозное здание современной научной микробиологии. Именно они – и прежде всего Пастер – превратили интересное времяпрепровождение, которым было до середины ХІХ века рассматривание в «трубу Левенгука» забавных микроскопических существ, в настоящую науку, буквально перевернувшую всю систему взглядов на саму сущность жизни.

А. Пастер был по своему образованию химиком, в микробиологию его привела логика научного поиска. Как химик, он занялся изучением брожения – как тогда полагали, химического процесса – и открыл его биологическую сущность: брожение, как оказалось, осуществляли микроорганизмы. Пастер занялся дальнейшим изучением живых микроскопических объектов, создав новую науку – микробиологию и превратившись в этой новой науке в непререкаемого авторитета.

1. Пастер доказал патогенность для человека стафилококка, пневмококка . В медицинской микробиологии принято считать первооткрывателем микроба не того, кто первым описал его, а того, кто доказал его роль как этиологического агента того или иного заболевания. Поэтому Пастера считают первооткрывателем этих бактерий. Кроме них Пастер открыл клостридии .

2. Пастер первым разработал алгоритм приготовления живых (ослабленных) вакцин , назвав эти препараты в честь эмпирического открытия Дженнера, разработавшего оспопрививание (лат. vacca = корова). Пастер приготовил вакцины протии куриной холеры, сибирской язвы и бешенства. Последнюю вакцину он создал, даже не зная возбудителя болезни (вирусы были открыты позднее). Таким образом, Пастера смело можно назвать основоположником иммунологии .

3. Пастеру принадлежит и множество других открытий.

а. Как уже упоминалось выше, Пастер открыл микробную природу брожения .

б. Кроме этого им была открыта микробная же природа болезней шелковичных червей , а так же природа порчи (скисания) вина и пива . Эти открытия великого учёного принесли Франции огромную материальную выгоду.

в. Пастер доказал невозможность самозарождения микроорганизмов .

г. Пастер изобрёл такие широко ныне применяемые способы стерилизации, как стерилизация сухим жаром и пастеризация .

Б. Кох , в отличие от Пастера, был врачом. После окончания университета он работал в глухом уголке Восточной Пруссии. Чтобы развеять скуку мужа, жена подарила ему на день рождения микроскоп, который рассматривался в то время как полуигрушка. Так получилось, что этот подарок положил начало научной карьере Коха, будущего лауреата Нобелевской премии за открытие возбудителя самого страшного в то время заболевания – туберкулёза.

1. Кох открыл возбудителей сибирской язвы , холеры («запятая Коха») и туберкулёза («палочка Коха»).

2. Кох усовершенствовал правила, предложенные Генле, для доказательства этиологической роли данного микроба в развитии данного заболевания. Триада Генле-Коха гласит: чтобы данный микроб считался возбудителем данного заболевания необходимо:

Выделить данный микроб от больного (при этом от здорового он выделять не должен),

Получить чистую культуру данного микроба,

При заражении ею лабораторного животного, у последнего должно развиться заболевание со схожей клинической картиной.

В настоящее время все три положения триады Генле-Коха уже устарели, но в своё время (конец ХІХ – начало ХХ в.) это были чёткие правила, следуя которым, микробиологи один за другим открывали возбудителей инфекционных заболеваний. Это было время информационного взрыва в микробиологии.

3. Кох очень много сделал в области практической бактериологии.

а. Им были введены в бактериологическую практику плотные питательные среды .

б. Кох предложил окрашивать микроорганизмы анилиновыми красителями.

в. Кох оснастил микроскоп иммерсионным объективом , положив начало использованию иммерсионной микроскопии, самого распространённого метода микроскопии в бактериологических лабораториях.

г. Кох первым стал применять микрофотографию .

д. Кох разработал метод стерилизации текущим паром . Прибор, применяемый для этой цели до сих пор, называется «аппаратом Коха».

1.7. Развитие микробиологии в Беларуси

На территории Беларуси и научные учреждения, в которых развивалась микробиологическая наука и учебные заведения, где микробиология преподавалась как предмет, возникли в первой трети ХХ века, но впервые микроскоп как научный прибор применили здесь в конце XVIII века.

А. В конце XVIII века в Гродно Жилибером (Рис. 1-11) была основана медицинская академия. В одной из своих статей Жилибер описывает свою попытку в отделяемом язвы найти в микроскоп мельчайших животных, которые могли бы быть причиной заболевания. По описанию клинических симптомов можно сделать предположение, что у больного была сибирская язва – Жилибер вполне мог увидеть в микроскоп возбудителя. И хотя сибиреязвенная бацилла была открыта значительно позже, именно попытку Жилибера можно назвать первым в истории Беларуси случаем использования микроскопа в диагностике инфекционной болезни.

Б. Становление микробиологической науки в Беларуси связано с именем Эльберта (Рис. 1-12). Эльберт, чья научная деятельность продолжалась с 20-х по 60-е годы ХХ в., основал в Минске санитарно-бактериологический институт и первую кафедру микробиологии. Эльберт много сделал для изучения клебсиелл, он является соавтором создания вакцины для профилактики туляремии (вакцина Гайского-Эльберта).

В. Его ученик и соратник Гельберг (Рис. 1-13) основал кафедру микробиологии в Гродненском медицинском институте. Гельберг, чья научная деятельность протекала с 20-х по 90-е гг. ХХ в., заслужил мировое признание своими работами по изучению микобактерий. Кафедра микробиологии, вирусологии и иммунологии Гродненского государственного медицинского университета носит имя С.И.Гельберга.

Г. Красильников (Рис. 1-14), время деятельности которого выпадает на 40-е – 90-е гг. ХХ в. является ведущим белорусским бактериологом конца ХХ века, его работы по изучению клебсиелл, лептоспир, не потеряли своего значения и по сей день. Именно Красильников, по желанию Эльберта, принял из его рук кафедру микробиологии Минского медицинского института и возглавлял её не одно десятилетие. Как в своё время Эльберт, так и Красильников, передал заведование кафедрой своему самому достойному ученику – Титову (рис. 1-15), ведущему белорусскому иммунологу, который сейчас, являясь членом Национальной академии наук Беларуси, возглавляет не только кафедру микробиологии Белорусского медицинского университета, но и Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии – центральное научное учреждение в области медицинской микробиологии нашей страны.

Д. Основоположником белорусской вирусологии является Вотяков (Рис. 1-16), работающий в Беларуси с 1950 г. Он внес значительный вклад в решение многих проблем общей и прикладной вирусологии и эпидемиологии, в выяснение механизмов развития вирусных инфекций, их лечение химиопрепаратами. За 50 с лишним лет своей работы Вотяков создал белорусскую школу вирусологов.

СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

2.1. Типы таксономии биологических объектов

Существует два основных типа таксономии (т.е. систематики или классификации) биологических объектов – филогенетический и практический. В последние годы в систематику микроорганизмов пришли молекулярные генетики и своими исследованиями смешали два этих принципа. Как результат, современная классификация микробов стала, несомненно, более научной, но, к сожалению, более путанной. Кроме этого, она менее удобна для применения в практической работе – даже в научных журналах многие авторы продолжают пользоваться устаревшей классификацией или совмещать обе системы; тем более, что более новые системы таксономии еще не устоялись и меняются с калейдоскопической быстротой. Ниже будут, как правило, приводится традиционные варианты таксономии микроорганизмов, любители «передового рубежа науки» могут почерпнуть нужную информацию в научной периодике и монографической литературе.

А. Филогенетическая естественной систематикой.

1. При этом типе таксономии биологических объектов в один таксон (группу классификации) объединяются объекты, имеющие общий корень происхождения. Т.е. общий принцип такой классификации можно сформулировать как «кто от кого произошёл ».

2. Филогенетическая (естественная) систематика является основным типом таксономии, применяемой в общей биологии .

Б. Практическая систематика биологических объектов называется также искусственной систематикой.

1. При этом в один таксон объединяются биологические объекты, схожие по своим признакам. Общий принцип такой классификации можно сформулировать как «кто на кого похож» .

2. Практическая (искусственная) систематика является основным типом таксономии, применяемой в микробиологии .

2.2. Признаки, лежащие в основе современной таксономии микроорганизмов

Микроорганизмы классифицируются на основе морфологических, биохимических, физиологических (культуральных), серологических и молекулярно-биологических признаков.

А. Морфологические признаки выявляются с помощью микроскопического метода исследования. Можно сказать, что описывая морфологию микроорганизмов, описывают все те признаки, которые видны в микроскоп.

1. Морфологические признаки включают в себя форму , размер и строение бактериальной клетки или вирусной частицы.

2. Морфологические признаки используются и в классификации бактерий и в классификации вирусов .

Б. Биохимические признаки микроорганизмов изучаются в ходе культурального метода исследования.

1. Под биохимическими признаками понимают биохимическую активность бактерий (так как вирусы не имеют собственного метаболизма, то об их биохимической активности говорить не приходится). Т.е. какие субстраты разлагает бактериальная клетка и какие продукты её метаболизма при этом образуются.

2. Биохимические признаки используются в классификации бактерий , но не вирусов.

В. Культуральные (или физиологические) признаки так же изучаются в ходе культурального метода исследования.

1. Под культуральными признаками понимают характер роста микроорганизмов на искусственных питательных средах .

Г. Серологические признаки изучаются с помощью иммунологического метода исследования (а именно, с помощью серологических реакций). Эта группа признаков микробов изучается в курсе иммунологии.

1. Под серологическими признаками микроорганизма понимают его антигенный состав .

2. Серологические признаки используются в классификации как бактерий , так и вирусов .

Д. Молекулярно-биологические признаки микроорганизмов выявляются при генетическом исследовании.

1. К молекулярно-биологическим признакам относят особенности строения нуклеиновых кислот микроорганизмов.

а. С помощью специальных методов, о которых речь пойдёт ниже, в разделе, рассказывающем о генетике бактерий, изучают строение ДНК .

б. Используют в таксономии микроорганизмов и особенности строения их РНК .

1 . Структура иРНК используется для классификации РНК-геномных вирусов.

2 . У бактерий с таксономической целью используют особенности 16S рРНК . рРНК находится вне сферы действия отбора, и эволюционируют только в ходе спонтанных мутаций, скорость которых постоянна. Поэтому количество нуклеотидных замен в молекулах сравниваемых рРНК может служить мерой эволюционного расстояния между организмами.

2. Включение молекулярно-биологических признаков в систематику сближает оба типа таксономии, так как сходство на уровне нуклеиновых кислот отражает не только простое сходство признаков, но и эволюционную близость сравниваемых микроорганизмов. Молекулярно-биологические признаки использую (с вышеуказанными особенностями) в классификации как бактерий , так и вирусов .

2.3. Иерархическая система таксонов, применяемых в бактериологии и вирусологии

Из-за принципиального отличия в строении и функционировании прокариот (бактерий) и вирусов, система таксонов, применяемых в их классификации, так же различна.

А. У бактерий таксоны располагаются в следующем нисходящем порядке: царство, отдел, порядок, семейство, род, вид, подвидовые категории.

1. Царство – самый крупный таксон, все бактерии объединены в царство Procaryota , названное так вследствие особенности строения бактериальной клетки. Среди эукариот также есть микроорганизмы – это микроскопические грибки и простейшие.

2. По особенностям строения клеточной стенки прокариоты классифицируются на четыре отдела , три из которых (Firmicutes, Gracilicutes и Tenericutes) объединяют эу (истинные)бактерии , а один (Mendosicutes) – так называемые архебактерии (малоизученные прокариоты, обитающие в экстремальных условиях). Медицинская микробиология не изучает архебактерии, поскольку они не имеют медицинского значения.

3. Название порядка у бактерий всегда заканчивается на –ales . На порядки классифицируется большинство прокариот.

4. Название семейства у прокариот заканчивается на –ceae . Практически все прокариоты классифицированы на семейства.

5. Семейства подразделяются на роды . Из их числа лишь немногие, так называемые роды с неясным таксономическим положением, не классифицированы как относящиеся к тому или иному семейству.

6. Роды подразделяются на виды. Вид является основной таксономической единицей у всех форм клеточной жизни (т.е. не только у про-, но и у эукариот).

7. Вследствие выраженной способности к изменчивости, виды бактерий отличаются крайней степенью гетерогенности. Поэтому в систематике прокариот используются так называемые подвидовые категории : вариант, штамм, клон.

а. Особи одного вида, отличающиеся друг от друга каким-либо признаком, классифицируются как различные варианты («-вары») этого вида. Раньше эти таксономические единицы назывались «-типами» и этот термин до сих пор встречается в научной литературе.

1 . Морфовары отличаются друг от друга своими морфологическими признаками.

2 . Биовары – биологическими признаками (например, культуральными).

3 . Ферментовары отличаются друг от друга набором ферментов и, как следствие, биохимической активностью. Часто для их обозначения также используется термин «биовар».

4 . Резистенсвары отличаются устойчивостью к антимикробным веществам, прежде всего к антибиотикам.

5 . Фаговары отличаются чувствительностью к типовым фагам (вирусам бактерий),

6 . Серовары отличаются друг от друга своим антигенным составом.

7 . Эковары различны по среде своего обитания, т.е. тем экологическим нишам, которые занимают эти варианты.

8 . Патовары отличаются друг от друга уровнем своей болезнетворности (патогенностью, вирулентностью)

б. Термин штамм используется для обозначения бактериальной культуры, выделенной из конкретного источника. Например, две культуры кишечной палочки, выделенные из кишечника разных людей, могут быть абсолютно идентичны друг другу по всем своим свойствам, однако, тем не менее, они будут считаться двумя различными штаммами.

в. Потомство одной бактериальной клетки называется клоном . В генетике этот термин используется для обозначения двух особей, идентичных по своему геному. В практической бактериологии клональной называется культура, выросшая из одной клетки, хотя уже после 5 – 7 делений, вследствие выраженной изменчивости, бактериальные клетки теряют генетическую идентичность.

Б. У вирусов таксоны располагаются в следующем нисходящем порядке: царство, подцарство, семейство, подсемейство, род, название вируса, варианты вируса.

1. Вирусы, как неклеточная форма жизни выделяются в отдельное царство Vira.

2. В зависимости от типа нуклеиновой кислоты, а вирусная частица, в отличие от клетки содержит или ДНК или РНК, царство Vira подразделяется на два подцарства – ДНК- и РНК-геномных вирусов.

3. Подцарства содержат семейства . Это наиболее часто употребляемое название вирусных таксонов. Когда говорят «герпесвирус» или «аденовирус» имеют в виду именно семейство. Название семейства в латинском написании обязательно имеет окончание –viridae .

4. Некоторые семейства подразделяются на подсемейства . Название этого таксона заканчивается на –virinae .

5. Основной таксономической единицей в систематике вирусов является род (понятие «вид» в вирусологии не определено).

6. В роды входят отдельные вирусы . Например, в род Orthoparamyxovirus входят вирусы парагриппа, эпидемического паротита, ньюкаслской болезни.

Морфология микроорганизмов изучает их внешний вид, форму и особенности строения клеток, способность к движению, спорообразованию, а также способы размножения.

Морфологические признаки играют большую роль в распознавании микроорганизмов и их классификации.

С древнейших времен живой мир делили на два царства: царство растений и царство животных. А. Левенгук, открывший

мир микроскопических живых существ, считал, что они являются «маленькими живыми зверушками». До XIX в. микроорганизмы рассматривались как мельчайшие существа живой природы. Во второй половине XIX в. пришли к заключению, что микроорганизмы существенно отличаются и от животных, и от растений. Все микроорганизмы были выделены в отдельное царство «Протиста».

С конца XIX в, стали накапливаться данные о различии в строении клеток микроорганизмов, входящих в группу «Протиста». Эту группу организмов разделили на высшие и низшие протисты. Такое деление основано на типе клеточной организации, отражающей уровень эволюции.

Высшие протисты имеют эукариотное строение клетки, низшие – прокариотное. Эти различия установлены при электронно-микроскопическом изучении тонкого строения клетки. Прокариоты существенно отличаются от эукариот прежде всего тем, что у них в клетке нет обособленного ядра, отделенного от цитоплазмы собственной мембраной. Второе отличие прокариот – отсутствие цитоплазматических органелл, окруженных элементарной мембраной; у эукариотных клеток имеется хорошо развитая система клеточных мембран (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, митохондрии). Третья особенность прокариотной клетки состоит в том, что рибосомы имеют малые размеры и рассеяны в цитоплазме; в эукариотной клетке рибосомы крупнее и расположены преимущественно на поверхности мембран эндоплазматической сети.

В 1969 г. была предложена схема разделения живых организмов на пять царств (рис. 1). Эта схема классификации (разделения) живых организмов отражает три основных уровня клеточной организации живых систем: Монера – прокариотные организмы; Протиста – микроскопические, в большинстве одноклеточные формы жизни, возникшие в результате качественного скачка в процессе эволюции, приведшего к появлению эукариотных клеток; Эукариоты – многоклеточные, включающие три царства: растения, животные и грибы, различающиеся по способу питания. Отдельно существует шестое царство – вирусы – неклеточные формы жизни.

БАКТЕРИИ

Общая характеристика

Бактерии – это обширная группа микроорганизмов (около 1600 видов), большинство из которых одноклеточные.

Форма и размеры бактерий. Основными формами бактерий являются шаровидная, палочковидная и извитая (рис. 2).

Шаровидные бактерии (рис. 2, а) – кокки – имеют обычно форму шара, встречаются уплощенные, слабо овальной или бобовидной формы. Кокки могут быть в виде одиночных клеток–микрококки или соединенных в различных сочетаниях: попарно – диплококки, по четыре клетки – те-тракокки, в виде более или менее длинных цепочек – стрептококки, а также в виде скоплений кубической формы (в виде пакетов) из восьми клеток, расположенных в два яруса один над другим,– сардины. Встречаются скопления неправильной формы, напоминающие грозди винограда,– стафилококки.

Палочковидные бактерии (рис. 2, б) могут быть одиночными или соединенными попарно – диплобактерии, цепочками по три-четыре и более клеток – стрептобактерии. Соотношения между длиной и толщиной палочек бывают самыми различными.

Извитые или изогнутые бактерии (рис. 2, в) различаются по длине, толщине и степени изогнутости. Палочки, слегка изогнутые в виде запятой, называют вибрионами, палочки с одним или несколькими завитками в виде штопора – спириллами, а тонкие палочки с многочисленными завитками – спирохетами.

Рис. 1. Схема пяти царств живого мира:

1 – прокариоты (царство Моnега); 2– одноклеточные эукариоты (царство Protista); 3– многоклеточные эукариоты (а –царства Plantae; б – Fungi; в – Ani- malia)

Использование электронного микроскопа для изучения микроорганизмов в естественных субстратах позволило открыть много новых бактерий, имеющих особую форму клеток (рис. 2,г): замкнутого или разомкнутого кольца (тороиды), клетки с выростами (простеками), клетки червеобразной формы – длинные с загнутыми очень тонкими концами, обнаружены клетки в виде шестиугольной звезды, клетки с выростами (простеками).

Размеры бактерий очень малы: от десятых долей микрометра 1 (мкм) до нескольких микрометров. В среднем диаметр тела большинства бактерий 0,5–1 мкм, а средняя длина палочковидных бактерий 2–5 мкм. Встречаются бактерии, размеры которых значительно превышают среднюю величину. Существуют и такие, величина которых находится на грани видимости в обычные оптические микроскопы (0,1 –0,2 мкм). Например, длина клетки спирохеты может достигать 500 мкм, а самые мелкие из известных бактерий – микоплазмы – имеют клетки длиной 0,15–0,2 мкм.

Форма тела бактерий, как и их размеры, может меняться под влиянием условий роста. Однако при определенных, относительно стабильных условиях бактерии сохраняют присущие данному виду размеры и форму, приобретенные ими в процессе эволюции. Масса бактериальной клетки очень мала, приблизительно 4 · 10 -13 г.

Строение бактериальной клетки. Клетка прокариотных организмов, к которым относят бактерии, обладает принципиальными особенностями ультраструктуры. На рис. 3 представлена схема строения бактериальной клетки.

Клеточная стенка (оболочка) – важный и обязательный структурный элемент большинства бактерий (рис. 3, 2). На долю клеточной стенки приходится от 5 до 20 % сухих веществ клетки. Она служит механическим барьером между протопластом и окружающей средой, придает клетке определенную форму. В состав клеточной стенки входит специфическое для прокариотных клеток полимерное соединение – пептидогликан (муреин, или мукопептид), отсутствующий в клеточных стенках эукариотных организмов.

По методу окраски, предложенному Грамом, бактерии делят на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Грамположительные клетки удерживают краску, а грамотрицательные клетки не удерживают. Установлено, что это обусловлено различиями в химическом составе и ультраструктуре их клеточных стенок. У грамположительных бактерий клеточные стенки более толстые, аморфные, в них содержится большое количество муреина (80–90 % сухой массы) и тейхоевые кислоты. Клеточные стенки грамотрицательных бактерий более тонкие, слоистые, в них содержится много липидов, мало муреина (5–10 %) и отсутствуют тейхоевые кислоты.

1 Микрометр (мкм) равен 0,001 мм.

Рис. 2. Формы бактерий:

а – шаровидные: / – микрококки; 2 – стрептококки; 3 – диплококки и тетракокки; 4 – стафилококки; 5 – сарцины; б – палочковидные: 6 – палочки без спор; 7 – палочки со спорами; в – извитые: 8 – вибрионы; 9 – спириллы; 10 – спирохеты; г – новые формы: // – тороиды; 12 – бактерии, образующие простеки; 13 – бактерии червеобразной формы; 14 – бактерии в форме шестиугольной звезды

Рис. 3. Схема строения бактериальной клетки:

1 – капсула; 2 – клеточная стенка; 3 – цитоплазматическая мембрана; 4 – цитоплазма; 5 – мезосомы; 6 – рибосомы; 7 – нуклеоид; 8 – внутрицитоплазматические мембранные образования; 9 – жировые капли; 10 – полисахаридные гранулы; 11 – гранулы полифосфата; 12 – включения серы; 13 – жгутики; 14 – базальное тельце

Клеточная стенка бактерий часто бывает покрыта слизью. Слизистый слой может быть тонким, едва различимым, но может быть и значительным, образующим капсулу (рис. 3.1.). Нередко размер капсулы намного превышает величину бактериальной клетки. Ослизнение клеточных стенок иногда бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются в слизистые массы, в которые вкраплены бактериальные клетки (зооглеи). Образуемые некоторыми бактериями слизистые вещества не удерживаются в виде компактной массы вокруг клеточной стенки, а диффундируют в окружающую среду.

При быстром размножении в жидких субстратах слизеобразующие бактерии могут превратить их в сплошную слизистую массу. Такое явление наблюдается иногда при производстве сахара в сахаристых экстрактах из свеклы. Возбудителем этого процесса является бактерия лейконосток (Leuconostoc mesen-teroides). За короткое время сахарный сироп может превратиться в тягучую слизистую массу. Ослизнению подвергаются мясо, колбасы, творог; наблюдается тягучесть молока, рассолов, квашеных овощей, пива, вина. Интенсивность слизеобразования и химический состав слизи зависят от штамма бактерий и условий культивирования.

Капсула обладает полезными свойствами: слизь предохраняет клетки от неблагоприятных условий; у многих бактерий в неблагоприятных условиях усиливается слизеобразование. Капсула защищает клетку от механических повреждений и высыхания, создает дополнительный осмотический барьер, служит препятствием для проникновения фагов. Иногда она является источником запасных питательных веществ.

Цитоплазматическая мембрана отделяет от клеточной стенки содержимое клетки. Это обязательная структура любой клетки. Нарушение целостности цитоплазматической мембраны приводит к потере клеткой жизнеспособности. На долю цитоплазматической мембраны приходится 8–15% сухого вещества клетки, толщина ее 7–10 нм ".На срезах клеток в электронном микроскопе она видна в виде трехслойной структуры – одного липидного слоя и двух примыкающих к нему с обеих сторон белковых слоев.

В цитоплазматической мембране (рис. 3, 3) находятся различные ферменты, она полупроницаема, выполняет важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой, являясь главным осмотическим барьером клетки (см. с. 60).

Цитоплазма бактериальной. клетки представляет собой полужидкую, вязкую, коллоидную систему (рис. 3, 4). Цитоплазма неоднородна; исследования показали, что местами она пронизана мембранными структурами – мезосомами, которые произошли от цитоплазматической мембраны и сохранили с ней связь.

Мезосомы (рис. 3, 5) выполняют различные функции, в них и в связанной с ними цитоплазматической мембране расположены ферменты, участвующие в энергетических процессах – в снабжении клетки энергией.

1 Нанометр (нм) равен 0,001 микрометра.

Хорошо развитые мезосомы обнаружены только у грамположительных бактерий, у грамотрицательных они развиты слабо и имеют более простое строение.

В цитоплазме содержатся рибосомы, ядерный аппарат и различные включения.

Рибосомы рассеяны в цитоплазме в виде мелких гранул размером 20–30 нм; рибосомы состоят примерно наполовину из РНК и белка. Рибосомы ответственны за синтез белка клетки. В бактериальной клетке их может быть 5–50 тыс. (рис. 3, 6).

Строение ядерного аппарата прокариотных микроорганизмов многие годы было предметом многочисленных дискуссий. В настоящее время установлено, что генетический материал прокариотных микроорганизмов, так же как и у эукари-отных, представлен молекулами ДНК- У прокариотов ДНК представляет собой компактное образование, которое занимает определенное место в цитоплазме, но не отграничено от нее мембраной, как у эукариотных клеток. Ядерное образование бактериальной клетки называется нуклеоидом (рис. 3, 7) в отличие от названия «я д ρ о» у эукариотной клетки.

При электронно-микроскопическом исследовании установлено, что нуклеоид бактериальной клетки представлен одной двойной спиралью ДНК в виде замкнутого кольца длиной около 1,4 мм, т. е. более чем в 1000 раз превышает длину клетки. ДНК нуклеоида бактерий называют еще бактериальной хромосомой.

Цитопл азмэтические включения бактериальной клетки разнообразны, в основном – это запасные питательные вещества, которые откладываются в клетке, когда они развиваются в условиях избытка питательных веществ в среде, и потребляются, когда клетки попадают в условия голодания. В клетках бактерий откладываются гликоген, крахмалоподобное вещество – гранулеза, которые используются в качестве источника углерода и энергии. Липиды находятся в клетках в виде гранул и капелек. Жир служит хорошим источником углерода и энергии. У многих бактерий накапливаются полифосфаты (соединения с макроэргическими связями); они содержатся в волютиновых гранулах и используются клетками как источник фосфора и энергии. В клетках серных бактерий откладывается молекулярная сера.

Подвижность бактерий. Шаровидные бактерии, как правило, неподвижны. Палочковидные бактерии бывают как подвижными, так и неподвижными. Изогнутые и спиралевидные бактерии подвижны. Движение бактерий осуществляется с помощью жгутиков. Жгутики – это тонкие, спирально закрученные нити белковой природы, которые могут осуществлять вращательные движения. Длина жгутиков различна, а толщина так мала (10– 20 нм), что в световой микроскоп их можно увидеть только после специальной обработки клетки. Наличие жгутиков, их расположение являются постоянными для вида признаками и имеют диагностическое значение.

Жгутики располагаются на поверхности тела бактерий по одиночке – монотрихиальное жгутикование или пучком на одном или обоих концах клетки – лофотрихиальное жгутикование; они могут находиться на всей поверхности клетки – перитрихиальное жгутикование (рис. 4). Скорость передвижения велика: за секунду клетка со жгутиками может пройти расстояние в 20–50 раз больше, чем длина ее тела.

При неблагоприятных условиях жизни, при старении клетки, при механическом воздействии подвижность может быть утрачена.

Размножение бактерий. Для прокариотных клеток характерно простое деление клетки на две части. Деление клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после деления нуклеоида. Характерной особенностью размножения бактерий является быстрота протекания процесса. Скорость деления зависит от вида бактерий и условий культивирования: некоторые виды делятся через каждые 15–20 мин, другие – через 5–10 ч. При таком быстром делении число клеток бактерий за сутки достигает огромного количества. Это часто наблюдается на пищевых продуктах: быстрое скисание молока за счет развития молочнокислых бактерий, быстрая порча мяса и рыбы за счет развития гнилостных бактерий и т. д.

Спорообразование. Споры у бактерий образуются обычно при неблагоприятных условиях развития: при недостатке питательных веществ, изменении температуры, рН, при накоплении продуктов обмена выше определенного уровня. Способностью образовывать споры обладают почти исключительно палочковидные бактерии. В каждой бактериальной клетке образуется" только одна спора (эндоспора).

Спорообразованию предшествует перестройка генетического аппарата клетки, изменяется морфология нуклеоида. В клетке прекращается синтез ДНК. Ядерная ДНК вытягивается в виде нити, затем концентрируется у одного из полюсов клетки. Эта часть клетки называется спорогенной зоной. Затем в спорогенной зоне происходит уплотнение цитоплазмы, этот участок обособляется от остального клеточного содержимого перегородкой (септой). Отсеченный участок покрывается мембраной материнской клетки, образуется так называемая проспора.

Проспора – это структура, располагающаяся внутри материнской клетки, от которой она отделена двумя мембранами: наружной и внутренней. Между мембранами формируется кортикальный слой (кортекс), сходный по химическому составу с клеточной стенкой вегетативной клетки. Помимо пептидогликана, в кортексе содержится дипиколиновая кислота (C 7 H 8 O 4 N), которая отсутствует в вегетативных клетках. Кортекс при прорастании споры превращается в клеточную стенку молодой вегетативной клетки. Поверх проспоры образуется оболочка споры, состоящая из нескольких слоев (рис. 5). Число, толщина и строение слоев различны у разных видов бактерий. Поверхность наружной оболочки может быть гладкой или с выростами разной длины и формы.

Споры имеют обычно круглую или овальную форму. Диаметр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, вследствие чего форма спороносящих клеток изменяется. Клетка приобретает форму веретена (клостридиум), если спора расположена в ее центре, или форму барабанной палочки (плектридиум), когда спора находится на конце клетки.

После созревания споры материнская клетка отмирает, оболочка ее разрушается и спора высвобождается. Процесс образования споры происходит в течение нескольких часов.

Наличие у бактериальных спор плотной труднопроницаемой оболочки, малое содержание в них воды, а также наличие кальция и дипиколиновой кислоты обусловливают их большую устойчивость к внешним факторам среды. Споры могут находиться в жизнеспособном состоянии сотни и даже тысячи лет. Например, жизнеспособные споры были выделены из трупов мамонтов и египетских мумий, возраст которых исчисляется тысячелетиями. Споры устойчивы к высокой температуре: в сухом состоянии они погибают после прогревания при 165–170 °С в течение 1,5–2 ч, а при перегретом паре (в автоклаве) – при 121 °С в течение 15–30 мин.

Рис. 4. Жгутики бактерий

Рис. 5. Схема строения зрелой бактериальной споры:

1 – экзоспориум; 2 – наружная оболочка споры; 3 – внутренняя оболочка споры; 4 – кортекс; 5 – клеточная стенка зародыша; 6 – цитоплазматическая мембрана; 7 – цитоплазма с ядерным веществом

В благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку; этот процесс обычно длится несколько часов. Прорастающая спора начинает активно поглощать воду, активируются ее ферменты, усиливаются биохимические процессы, приводящие к росту. Внешняя оболочка споры разрывается, через разрывы выходит наружу молодая бактериальная клетка.

Порчу пищевых продуктов вызывают лишь вегетативные клетки бактерий. Знание факторов, способствующих образованию спор у бактерий, и факторов, которые вызывают их прорастание в вегетативные клетки, имеет большое значение в выборе способа обработки продуктов для предотвращения их микробной порчи.

Изложенные сведения в основном относятся к так называемым истинным бактериям. Есть и другие, более или менее отличающиеся от них (нитчатые, стебельковые, миксобактерии, ак-тиномицеты, риккетсии, микоплазмы). Краткая характеристика их приведена ниже (см. «Систематика бактерий», с. 19–21).

Основы систематики бактерий

Систематика (таксономия) организмов заключается в распределении их по определенным группам, каждая из которых имеет свое название: класс, порядок, семейство, род, вид.

До сих пор отсутствует единая классификация, отражающая эволюционное развитие отдельных видов бактерий.

При классификации бактерий учитывают их морфологические особенности (форму, размер клетки, наличие и положение жгутиков, способность к спорообразованию) и физиологические свойства (тип питания, характер получения энергии, потребность в кислороде, патогенность и др.). По мнению академика В. Н. Шапошникова, физиологические признаки особенно разнообразны у бактерий и именно они изменялись при развитии мира микроорганизмов.

В последние годы при классификации бактерий стали учитывать и биохимические признаки. По предложению академиков А. Н. Белозерского и А. С. Спирина для идентификации (определения вида бактерий) необходимо изучить и состав ДНК. Кроме того, учитывают серологические свойства бактерий – их реакции с иммунными сыворотками (см. с. 144, 145).

С 1 января 1980 г. введен новый кодекс номенклатуры бактерий 1 . Названия бактерий в учебнике даются в соответствии с новой номенклатурой 2 .

1 Информационный бюллетень В.М.О. при АН СССР «Одобренные списки названий бактерий», 1982.

2 Международный кодекс номенклатуры бактерий. М.: Наука, 1978.

По принятым в биологии правилам название бактерий дается на латинском языке и состоит из двух слов. Первое слово обозначает род, к которому принадлежит данная бактерия, второе – название вида. Родовое название пишется с прописной буквы, видовое – со строчной, например Streptococcus lactis. Эта бактерия относится к шаровидным бактериям, образующим цепочки (род Streptococcus). Они вызывают скисание молока в результате сбраживания молочного сахара (лактозы) в молочную кислоту, отсюда видовое название lactis.

До недавнего времени микробиологи нашей страны при систематике бактерий пользовались двумя определителями: Берджи Д. Г. «Определитель микробов» и Красильников Н. А. «Определитель бактерий и актиномицетов».

В настоящее время микробиологами мира Широко используется «Руководство Берджи по определению бактерий», 1974 г. (8-е издание). В 1980 г. в СССР издан «Краткий определитель бактерий Берги». Систематика бактерий дается по этому руководству.

Царство прокариот (Procaryotae) разделено на два отдела: цианобакте-рии и бактерии.

I отдел. Цианобактерии. Цианобактерии (ранее назывались «сине-зелеными водорослями») – фототрофные (фотосинтезирующие) организмы. Фотосинтез осуществляют с выделением кислорода. Некоторые цианобактерии одноклеточны, другие многоклеточны, образуют простые или ветвящиеся нити. Цианобактерии привлекают внимание ученых как продуценты пищевого белка.

II отдел. Бактерии. Этот отдел разделен на 19 частей, каждая из которых делится на порядки, порядки – на семейства, семейства – на роды, роды – на виды.

Часть 1. Фототрофные бактерии (фотосинтезирующие). Это преимущественно водные бактерии, имеющие клетки различной формы. В клетках содержатся бактериохлорофиллы и каротиноидные пигменты. К фототрофным бактериям относятся пурпурные бактерии и зеленые серобактерии.

Часть 2. Скользящие бактерии. Такие бактерии передвигаются путем скольжения (ползающие). Скользящие бактерии делят на два порядка:

миксобактерии (Myxobacterales) – это палочки, образующие плодовые тела – скопления клеток, заключенных в слизи. Клетки в плодовых телах переходят в покоящееся состояние – миксоспоры. Миксобактерии живут в основном в почве, на разлагающемся растительном материале;

цитофаги (Cytophagales) – одно- и многоклеточные палочки и нити. Плодовых тел не образуют. Это преимущественно водные бактерии, но живут они и в почве.

Часть 3. Хламидобактерии. В основном это бактерии с чехлом или «влагалищем», которые могут содержать окись марганца или окислы железа. Хламидобактерии могут быть в виде одиночных клеток или нитей, подвижными либо прикрепленными к субстрату. Живут они в водоемах, встречаются в почве.

Часть 4. Почкующиеся и (или) стебельковые бактерии. К этой группе относят бактерии, размножающиеся почкованием; они образуют стебельки или почки и стебельки. В эту группу включают новые виды бактерий с выростами-простеками. Широко распространены в почве и в водоемах.

Часть 5. Спирохеты. Это тонкие, гибкие, спирально извитые одноклеточные бактерии длиной от 3 до 500 мкм. Истинная клеточная стенка

у них отсутствует. Они подвижны, эндоспор не образуют. Некоторые виды патогенны, вызывают заболевания человека (сифилис, возвратный тиф).

Часть 7. Грамотрицательные аэробные палочки и кокки. Это преимущественно прямые или изогнутые подвижные палочки, с полярными жгутиками, имеются и неподвижные. Широко распространены в природе, среди них существуют виды, патогенные для растений. К этой группе относятся многие бактерии, являющиеся возбудителями порчи пищевых продуктов.

Часть 8. Грамотрицательные факультативно-анаэробные палочки. Они могут быть подвижными (перитрихи) и неподвижными, широко распространены. Некоторые бактерии этой группы (семейства Enterobacteriaceae) являются обычными обитателями кишечника человека и животных; другие – возбудителями инфекционных кишечных заболеваний (дизентерии, брюшного тифа, паратифа); есть и возбудители пищевых отравлений (сальмонеллы, протей).

Часть 9. Грамотрицательные анаэробные бактерии. Это однотипные или плеоморфные палочки, неподвижные или подвижные, не образуют спор. Имеются патогенные виды, вызывающие гнойные или гангренозные инфекции.

Часть 10. Грамотрицательные кокки и коккобациллы. Клетки таких бактерий сферические, иногда в виде пар или скоплений, неподвижны. Встречаются виды, патогенные для человека и животных.

Часть 11. Грамотрицательные анаэробные кокки. Кокки обычно образуют пары, но бывают и одиночными, и в виде цепочки. Живут в пищеварительном тракте человека и животных. Непатогенны.

Часть 12. Грамотрицательные хемолитотрофные бактерии. Это палочковидные, эллипсовидные, сферические клетки без эндоспор, подвижные и неподвижные. Энергию они получают за счет окисления аммиака или нитрита, за счет окисления серы или ее соединений, углерод фиксируют из углекислого газа. Живут в почве, в воде.

Часть 13. Метанообразующие бактерии. Это палочки или кокки, подвижные и неподвижные, грамположительные и грамотрицательные. Спор не образуют. Они анаэробы, образуют метан. Широко распространены в природе.

Часть 14. Грамположительные кокки. Клетки этих бактерий сферические, делятся в одной и нескольких плоскостях с образованием правильных или неправильных групп, цепочек, пакетов и др. Они аэробы, факультативные анаэробы или микроаэрофилы. Широко распространены в природе. Многие из них (различные микрококки) являются возбудителями порчи пищевых продуктов, некоторые стафилококки могут развиваться не пищевых продуктах, вырабатывать токсические вещества и вызывать отравления. К этой группе бактерий отнесены также молочнокислые стрептококки, используемые в технологии производства кисломолочных и других продуктов переработки молока.

Часть 15. Палочки и кокки, образующие эндоспоры. Большинство палочек грамположительны, подвижны, имеют латеральные или перитрихиальные жгутики. Эти бактерии аэробы, анаэробы, факультативные анаэробы; многие являются возбудителями порчи пищевых продуктов. Существуют патогенные виды, которые могут передаваться через пищевые продукты и вызывать заболевания (сибирская язва) или отравления (ботулизм). Часть 16. Грамположительные аспорогенные палочковидные бактерии. Это прямые или изогнутые палочки, встречаются одиночные и в цепочках. Неподвижные и подвижные. В эту группу бактерий включены палочковидные молочнокислые бактерии, Которые широко распространены на пищевых продуктах и могут вызывать их порчу. Многие из бактерий этой группы используются в технологии приготовления теста, кисломолочных продуктов, сыров и для квашения овощей.

Часть 17. Актиномицеты. И родственные организмы. К ним относят коринеформные бактерии, пропионовокислые бактерии и актиномицеты. Бактерии этой группы палочковидные, часто неправильной формы, образуют гифы.

Некоторые актиномицеты растут в виде тонких ветвящихся нитей, образующих мицелий, размножаются спорами, развивающимися на воздушных ветвях мицелия. Часто окрашены в разные цвета. Широко распространены в природе. Встречаются на пищевых продуктах и могут вызывать их порчу; при этом продукты приобретают характерный землистый запах. Существуют виды, патогенные для человека (дифтерийная и туберкулезная палочки) и для растений. Многие виды актиномицетов являются продуцентами антибиотиков, получаемых в промышленном масштабе.

ВИРУСЫ И ФАГИ

Вирусы. Это особая группа организмов меньших размеров и более простой организации, чем бактерии. Вирусы не имеют клеточной структуры (отсутствуют ядро, цитоплазма), величина их измеряется нанометрами. Вирусы открыты Д. И. Ивановским в 1892 г. при изучении мозаичной болезни листьев табака, которая причиняла большой ущерб табачным плантациям Крыма. Открытие Д. И. Ивановского заложило основу новой науки – вирусологии.

Ущерб, наносимый эпидемиями гриппа здоровью людей, очень велик. От гриппа погибло людей больше, чем от других инфекций. Для борьбы с вирусными заболеваниями применяют вакцины, химические препараты, антибиотики. Новые возможности в борьбе с вирусными заболеваниями открылись после обнаружения антивирусного вещества – интерферона.

Данные электронной микроскопии показывают, что вирусы разнообразны по форме, размерам и химическому составу. Большинство вирусов имеет палочковидную или сферическую форму (рис. 6).

Некоторые из вирусов состоят только из белка и одной нуклеиновой кислоты – ДНК или РНК. Другие вирусы содержат еще липиды, полисахариды. Вирусная частица называется вирионом. Нуклеиновая кислота (в виде спирали) находится внутри вириона, снаружи он покрыт белковой оболочкой (капсидом), состоящей из отдельных морфологических субъединиц – капсомеров (рис. 6, б).

Вирусы выращивают на живых клетках или культуре тканей, так как на искусственных питательных средах они, как правило, не развиваются.

Вирусы обладают разной устойчивостью к внешним воздействиям. Многие инактивируются при 60 °С в течение 30 мин, другие выдерживают температуру 90 °С до 10 мин. Вирусы довольно легко переносят высушивание и низкие температуры, но малоустойчивы ко многим антисептикам, ультрафиолетовым лучам, радиоактивным излучениям.

Фаги. Это вирусы микроорганизмов, вызывающие гибель – распад (лизис) их клеток. Вирусы бактерий называют бактериофагами или фагами, вирусы актиномицетов – актинофагами, вирусы грибов – микофагами, вирусы сине-зеленых водорослей (цианобактерий) – цианофагами.

Впервые лизис сибиреязвенных бактерий наблюдал Η. Φ. Гамалея в 1898 г. В 1917 г. Д"Эррел установил явление лизиса у бактерий дизентерии, им впервые был выделен и описан бактериофаг («пожиратель») бактерий.

С применением электронного микроскопа изучена морфология фага (рис. 6,в, г). Большинство фагов состоит из головки и отростка. Головка фага может иметь разную форму, чаще всего это многогранник, покрытый белковой оболочкой (капсидом). Внутри капсида расположена нуклеиновая кислота, чаще всего одна: ДНК или РНК- Отросток фага имеет внутренний полый стержень, по каналу которого ДНК фага переходит в клетку хозяина. Стержень снаружи покрыт чехлом, способным к сокращению. Стержень и чехол отростка состоят из белковых субъединиц. У некоторых фагов отросток заканчивается базальной пластинкой, которая имеет выступы (зубцы) и нити.

Фаги могут быть и нитевидной формы или состоять из одной головки, могут быть с аналогом отростка (очень коротким отростком). Некоторые фаги имеют длинные отростки с несокра-щающимся или сокращающимся чехлом.

Фаги широко распространены в природе. Многие из них обладают специфичностью – могут воздействовать на определенный вид или группу родственных видов микроорганизмов.

Взаимодействие фага с микробной клеткой происходит в несколько фаз. Сначала фаг прикрепляется к восприимчивой клетке, затем под действием фермента фага (сходного с лизо-цимом) в стенке микробной клетки образуется отверстие, через которое внутрь клетки проникает только нуклеиновая кислота; пустая белковая оболочка головки и отростка остается снаружи клетки, затем разрушается.

Под влиянием попавшей в клетку нуклеиновой кислоты фага перестраиваются все обменные процессы микробной клетки на синтез новых фаговых частиц: синтезируются фаговая нуклеиновая кислота и белковые субъединицы оболочек. Вначале формируются отдельно головки и отростки, которые затем объединяются в зрелые фаговые частицы. Через определенное время клетка хозяина погибает, разрушается и фаги выходят наружу. . Явление фаголизиса (растворение культур микроорганизмов) довольно часто наблюдается на производствах, связанных с использованием микроорганизмов. Развитие фагов в культурах промышленных микроорганизмов приводит к тому, что клетки культуры лизируются, не успев синтезировать необходимые вещества. Это приводит к большому экономическому ущербу для предприятия. Так нередко лизируются молочнокислые бактерии, входящие в состав заквасок для кисломолочных. продуктов. Такие закваски непригодны для употребления.

Фаги применяют в медицине для лечения и профилактики некоторых заболеваний, например дизентерии, холеры.

Рис. 6. Электронная микроскопия вируса и бактериофага:

а – вирус оспенной вакцины; б – схематическое изображение простого вириона: 1 – нуклеиновая кислота; 2 – капсид; 3 –капсомеры; в – бактериофаг; г – схема строения фага: 1 – головка; 2 – ДИК; 3–отросток; 4 – стержень; 5 – пластинка отростка; 6 – нити

ГРИБЫ (MYCOTA ИЛИ FUNGI)

Общая характеристика

Грибы – обширная и разнообразная группа растительных организмов, многие из которых называют плесенями. Они не имеют хлорофилла, не способны к синтезу органических веществ из углекислого газа и для развития нуждаются в готовых органических веществах.

В природе грибы обитают на разных субстратах: в воде, почве, на растениях и животных.

Многие грибы употребляют в пищу, используют в промышленных производствах для получения органических кислот, витаминов, ферментов, антибиотиков.

Многочисленны грибы, развивающиеся на пищевых продуктах, промышленных материалах и изделиях, вызывающие их порчу и разрушение. Некоторые из них способны вырабатывать токсические для человека вещества – микотоксины.

Существуют грибы, которые поражают культурные растения в процессе их вегетации, нанося большой урон сельскому хозяйству. Имеются грибы, патогенные для человека и животных. Строение тела гриба. Вегетативное тело большинства грибов представляет собой грибницу, или мицелий, состоящий из ветвящихся нитей – гиф.

Тело некоторых грибов представляет собой одиночные округлые или удлиненные клетки (дрожжи). Не имеют мицелиального строения и низшие, наиболее примитивные формы; вегетативное тело большинства из них представляет собой протопласт без клеточной стенки (оболочки). У одних грибов мицелий клеточный – гифы разделены перегородками (септами) на клетки, часто многоядерные; у других – мицелий неклеточный, гифы не имеют перегородок и весь мицелий представляет собой как бы одну гигантскую клетку с большим числом ядер (рис. 7). Толщина гиф разнообразна, размер их поперечника колеблется от 5 до 15 мкм и более. Гифы растут вершиной или концами разветвлений, в связи с чем клетки гиф неоднородны по длине. Часть мицелия развивается в субстрате (субстратный мицелий), пронизывая его и всасывая из него воду и питательные вещества. Частично мицелий развивается на поверхности субстрата (воздушный мицелий) в виде пушистых, паутинообразных или тонких налетов, плено

Микробиология: конспект лекций Ткаченко Ксения Викторовна

2. Систематика и номенклатура микроорганизмов

Основной таксономической единицей систематики бактерий является вид.

Вид – это эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющая единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими признаками.

Вид не является конечной единицей систематики. Внутри вида выделяют варианты микроорганизмов, отличающиеся отдельными признаками. Так, различают:

1) серовары (по антигенной структуре);

2) хемовары (по чувствительности к химическим веществам);

3) фаговары (по чувствительности к фагам);

4) ферментовары;

5) бактериоциновары;

6) бактериоциногеновары.

Бактериоцины – вещества, продуцируемые бактериями и губительно действующие на другие бактерии. По типу продуцируемого бактериоцина различают бактериоциновары, а по чувствительности – бактерициногеновары.

Для видовой идентификации бактерий необходимо знать следующие их свойства:

1) морфологические (форму и структуру бактериальной клетки);

2) тинкториальные (способность окрашиваться различными красителями);

3) культуральные (характер роста на питательной среде);

4) биохимические (способность утилизировать различные субстраты);

5) антигенные.

Виды, связанные генетическим родством, объединяют в роды, роды – в семейства, семейства – в порядки. Более высокими таксономическими категориями являются классы, отделы, подцарства и царства.

Согласно современной систематике патогенные микроорганизмы относятся к царству прокариот, патогенные простейшие и грибы – к царству эукариот, вирусы объединяются в отдельное царство – Vira.

Все прокариоты, имеющие единый тип организации клеток, объединены в один отдел – Bacteria. Однако отдельные их группы отличаются структурными и физиологическими особенностями. На этом основании выделяют:

1) собственно бактерии;

2) актиномицеты;

3) спирохеты;

4) риккетсии;

5) хламидии;

6) микоплазмы.

В настоящее время для систематики микроорганизмов используется ряд таксономических систем.

1. Нумерическая таксономия. Признает равноценность всех признаков. Для ее применения необходимо иметь информацию о многих десятках признаков. Видовая принадлежность устанавливается по числу совпадающих признаков.

2. Серотаксономия. Изучает антигены бактерий с помощью реакций с иммунными сыворотками. Наиболее часто применяется в медицинской бактериологии. Недостаток – бактерии не всегда cодержат видоспецифический антиген.

3. Хемотакcономия. Применяются физико-химические методы, с помощью которых исследуется липидный, аминокислотный состав микробной клетки и определенных ее компонентов.

4. Генная систематика. Основана на способности бактерий с гомологичными ДНК к трансформации, трансдукции и конъюгации, на анализе внехромосомных факторов наследственности – плазмид, транспозонов, фагов.

Совокупность основных биологических свойств бактерий можно определить только у чистой культуры – это бактерии одного вида, выращенные на питательной среде.