1. Предмет и задачи микробиологии
Микробиология (от греч. micros – малый, bios – жизнь, logos – нау-
ка) – наука о микроскопически малых существах, называемых микроор-
ганизмами. Микробиология изучает морфологию, физиологию, биохи-
мию, систематику, генетику и экологию микроорганизмов, их роль и
значение в круговороте веществ, патологии человека, животных и расте-
ний, в экономике.
К микроорганизмам относятся преимущественно одноклеточные ор-
ганизмы – бактерии, микроскопические грибы и водоросли, простейшие,
а также организмы с неклеточной организацией – вирусы. Предметом
изучения микробиологии традиционно служат в основном бактерии, а
также в общем плане организации рассматриваются вирусы.
Микроорганизмы в таксономическом отношении очень неоднородная
группа, представители которой отличаются друг от друга морфологией,
строением, физиологией, типами конструктивного и энергетического ме-
таболизма, а также особенностями питания клетки, но общим их призна-
ком являются малые размеры особей. Например, в среднем линейные
размеры бактерий находятся в пределах 0,5–3,0 мкм, но есть среди бак-
терий свои «гиганты» и «карлики». В частности, клетки нитчатой серо-
бактерии Beggiatoa alba имеют диаметр до 500 мкм; длина клеток бакте-
рии Achromatium oxaliferum составляет 15–100 мкм при поперечнике
примерно 5–33 мкм, а продольные размеры клеток спирохет могут дос-
тигать 250 мкм. Самые мелкие из известных бактерий – микоплазмы,
диаметр клеток которых составляет 0,1–0,15 мкм. Размеры клеток дрож-
жей, мицелиальных грибов, простейших и водорослей находятся в пре-
делах 10–100 мкм.
У микроорганизмов из-за малых размеров очень велико отношение
площади поверхности клетки к ее объему, что создает благоприятные
условия для активного обмена с внешней средой. Показано, что метабо-
лическая активность микроорганизмов в расчете на единицу биомассы
намного выше, чем у более крупных клеток растений и животных.
5
Одной из наиболее существенных особенностей микроорганизмов яв-
ляется высокая пластичность их метаболизма, что приводит к быстрому
приспособлению к меняющимся условиям окружающей среды. Указан-
ное свойство также связано с малыми размерами клеток. Клетки микро-
организмов могут вместить в себя только несколько сотен тысяч белко-
вых молекул. Поэтому ненужные в данных условиях существования
ферменты не могут в клетках микроорганизмов содержаться про запас.
Они синтезируются только тогда, когда соответствующее питательное
вещество (субстрат) появляется в среде. Такие ферменты называются
индуцибельными, они могут составлять до 10 % общего белка, содержа-
щегося в клетке в данный момент времени. Таким образом, для микроор-
ганизмов характерно большее разнообразие ферментных систем и более
мобильные способы регуляции обмена веществ, чем для макроорганиз-
мов.
Другим следствием высокой пластичности метаболизма микроорга-
низмов является, по определению В. И. Вернадского, их «всюдность».
Микроорганизмы можно обнаружить в арктических областях, горячих
источниках, высоких слоях атмосферы, шахтах с большим содержанием
сероводорода и этим они отличаются от всех растений и животных, ко-
торые часто распространены лишь на отдельных континентах или в гео-
графических зонах.
Отличительным свойством микроорганизмов является также их спо-
собность к быстрому размножению. В оптимальных условиях, например,
бактерии Escherichia coli могут делиться каждые 20 мин.
У микроорганизмов отсутствует дифференцировка на ткани и органы,
что также делает их непохожими на растения и животные.
В соответствии с современными принципами классификации все мик-
роорганизмы в зависимости от строения клетки делятся на эукариотиче-
ские (истинноядерные) и прокариотические (доядерные) (табл. 1). К эу-
кариотическим микроорганизмам относятся водоросли, грибы и про-
стейшие, к прокариотическим – бактерии.
Кроме строения клетки, прокариотические и эукариотические микро-
организмы различаются и по другим признакам:
• прокариотические микроорганизмы морфологически относительно
слабо дифференцированы, поэтому основными формами бактерий, за
немногими исключениями, считаются кокки, прямые и изогнутые палоч-
ки;
• многие группы прокариот способны существовать только в анаэроб-
ных условиях (без молекулярного кислорода), получая необходимую для
роста энергию в результате брожения или анаэробного дыхания; • значительное количество бактерий может специфически получать
энергию путем окисления неорганических веществ;
• большая группа бактерий (фототрофные) обладает способностью
использовать энергию солнечного света и строить необходимые им ве-
щества либо из органических соединений, либо из углекислого газа;
• среди бактерий различных таксономических групп широко распро-
странена способность к фиксации молекулярного азота;
• у подавляющего большинства бактерий размножение осуществляет-
ся путем бинарного поперечного деления, приводящего к образованию
двух одинаковых дочерних клеток.
Деление клеток бактерий начинается, как правило, после завершения
цикла репликации ДНК. У большинства грамположительных бактерий и
нитчатых цианобактерий деление происходит путем синтеза поперечной
перегородки, идущего от периферии к центру. Поперечная перегородка
формируется из цитоплазматической мембраны и пептидогликанового
7
слоя. Расхождение образовавшихся дочерних клеток происходит в ре-
зультате лизиса срединного слоя поперечной перегородки с помощью
ферментов автолизинов. Клетки большинства грамотрицательных бак-
терий делятся путем перетяжки, которая формируется при сужении в
центральной части клетки цитоплазматической мембраны и клеточной
стенки. Диаметр клетки в центре постепенно уменьшается, как будто
кто-то перетягивает ее пополам. Отверстие между образовавшимися от-
секами становится ýже, пока не исчезнет совсем и перетяжка не разделит
клетку на две части.
Для представителей группы почкующихся бактерий, а также многих
цианобактерий характерен другой способ размножения – почкование.
При этом в определенном месте на поверхности клетки образуется почка,
в которую переходит копия нуклеоида. Почка разрастается в дочернюю
клетку и отделяется от материнской клетки.
Некоторые одноклеточные цианобактерии размножаются множест-
венным делением. Оно начинается с предварительной репликации хро-
мосомы и увеличения размеров вегетативной клетки, которая затем пре-
терпевает ряд быстрых последовательных бинарных делений, происхо-
дящих внутри клетки. Это приводит к образованию большого количества
мелких клеток, получивших название баеоцитов. Освобождение баео-
цитов происходит путем разрыва материнской клеточной стенки. Таким
образом, в основе множественного деления лежит принцип равновелико-
го бинарного деления. Отличие его от бинарного деления обычного типа
состоит в том, что при множественном делении после бинарного деления
не происходит роста образовавшихся дочерних клеток, они снова начи-
нают делиться.
Актиномицеты размножаются либо фрагментами мицелия, либо пу-
тем образования неполовых спор. Эти способы размножения характерны
для эукариотических микроорганизмов, однако отличаются от них тем,
что у последних этим процессам предшествует митотическое деление
ядра, а у бактерий митоз отсутствует.
|