Бактерии — паразиты и симбионты

По способу питания бактерии можно разделить на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофами называют бактерии, которые способны синтезиро­вать органические вещества из неорганических.

Если для синтеза используется солнечная энергия, то бактерии называют фотосинтетиками, а если энергия, выделяющаяся при различ­ных химических реакциях, — хемосинтетиками.

Все автотрофы имеют две большие группы ферментов. Одни обеспечивают синтез простых органических веществ из неорганиче­ских, а другие, используя эти вещества (глюкозу и др.), синтезируют сложные органические соединения (крахмал, муреин, белки и др.).

К бактериям-фотосинтетикам относятся Пурпурные и Зеленые бак­терии. В отличие от растений они получают водород (Н) не из воды (Н₂0), а из сероводорода (Н₂S). Химическими символами реакцию бактериаль­ного фотосинтеза можно записать следующим образом:

СО₂+ Н₂S С_nН_2nО_n + Н₂0 +S

При этой форме фотосинтеза кислород не выделяется, а в клет­ках бактерий накапливается сера. Такой тип фотосинтеза называют анаэробным.

Бактерии-фотосинтетики обитают чаще всего в водоемах на поверхности ила, а некоторые виды — в горячих источниках.

Иной характер фотосинтеза (аэробный) у цианобактерий. Это древнейшие организмы, появившиеся на нашей планете около 3 млрд. лет назад. Обитают преимущественно в пресных водоемах, вызывая иногда «цветение воды». Некоторые виды живут в морях и океанах, а также на суше, образуя на почве, камнях и коре деревьев зеленые налеты.

Фотосинтез цианобактерий подобен этому процессу у растений, и, используя химические символы, его можно выразить таким уравне­нием:

СO₂ + H₂O C_nH_2nO_{n +} O₂

Именно цианобактерии 800 млн. лет были единственными постав­щиками кислорода в атмосферу.

Бактерии-хемосинтетики были впервые обнаружены русским ученым С. Н. Виноградским в 1890 году. Эти бактерии используют энер­гию, выделяющуюся при окислении соединений аммиака, азота, же­леза, серы.

Бактерии-гетеротрофы используют для питания готовые орга­нические вещества, вырабатываемые организмами, либо остатками мертвых тел.

Способов получения необходимой энергии у этих бактерий два: брожение и гниение.

Гниением называют анаэробное ферментативное расщепление белков и жиров.

Если бактерии для жизнедеятельности используют остатки мерт­вых тел, то их называют сапротрофами. Знаменитый французский мик­робиолог Луи Пастер еще в конце XIX века указал на исключительно важную роль бактерий-сапротрофов в природе. Эти бактерии совмес­тно с плесневыми грибами являются редуцентами (от лат. Reduce — возвращать). Расщепляя органические остатки до минеральных солей, они очищают нашу планету от трупов животных и остатков растений, обеспечивая живые организмы минеральными солями, и замыкают круговорот веществ в природе.

В то же время бактерии гниения, попадая на продукты питания, вызывают их порчу. Для защиты продуктов питания от редуцентов их подвергают сушке, маринованию, копчению, засолке, замораживанию, квашению или специальным методам консервирования — пастериза­ции или стерилизации.

Луи Пастер разработал метод сохранения жидких пищевых про­дуктов (молока, вина, пива и др.), который назвали пастеризацией. Для уничтожения бактерий жидкость нагревают до температуры 65 — 70°С и выдерживают 15 — 30 минут.

Полное уничтожение бактерий достигается путем стерилизации. При этом продукты выдерживают при 140°С около 3 часов, либо обра­батывают их газами, жестким излучением и т. д.

Бактерии-паразиты питаются органическими веществами живых тел, вызывая заболевания у растений, животных и человека. Эти бакте­рии называют патогенными (греч. патос — болезнь, генос — происхож­дение).

Патогенные бактерии вызывают такие заболевания, как холера, чума, туберкулез, воспаление легких, сальмонеллез, возвратный тиф, ангина, дифтерия, столбняк и многие другие болезни человека, а также различ­ные заболевания животных и растений.

Изучение патогенных бактерий было начато еще Л. Пастером и получило развитие в работах Роберта Коха, Е. Смита, Данилы Самойловича, Ш. Китасато.

Издавна было известно, что бобовые растения повышают плодо­родие почвы. Об этом писали еще Теофраст и римский ученый Гай Плиний Старший.

В 1866 году известный русский ботаник и почвовед М. С. Воро­нин обратил внимание, что на корнях бобовых растений имеются ха­
рактерные вздутия — клубеньки, которые образуются в результате жизнедеятельности бактерий.

Лишь 20 лет спустя голландский микробиолог Мартин Бейеринк сумел доказать, что бактерии поселяются на корнях бобовых растений, получая от них готовые органические вещества, а взамен дают расте­нию столь необходимый для них азот, который усваивают из воздуха.

Так был открыт симбиоз бактерий с растениями. Дальнейшие ис­следования показали, что не только с растениями, но и с животными и даже с человеком. В кишечнике человека поселяется несколько видов бактерий, которые питаются остатками непереварившейся пищи, давая взамен витамины и некоторые другие вещества, необходимые для жиз­недеятельности человека.

Значение бактерий

1. Участвуют в экосистемах в разрушении мертвого органическо­го материала и тем самым принимают непосредственное участие в кру­говороте углерода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов.

2. С активностью бактерий связаны многие процессы в природе, как симбиотическая (клубеньковые бактерии), так и несимбиотическая (азотобактерии) фиксация молекулярного азота.

Многие виды бактерий человек использует в народном хозяй­стве: получение органических продуктов в результате брожения (уксуснокислые, лактобактерии).

3. Служат источником для получения антибиотиков (грамицидин, стрептомицин).

4. Бактерии используются для создания новых способов получе­ния важнейших для промышленности веществ, в том числе спиртов, орга­нических кислот, Сахаров, полимеров, аминокислот и ряда ферментов.

5. Симбиотические бактерии кишечника млекопитающих (микро­флора) участвуют в синтезе ряда витаминов группы В и витамина К, а также расщепляют клетчатку.

6. Благодаря генной инженерии в настоящее время удалось успеш­но перенести гены человеческого инсулина в геном кишечной палочки, и уже началось промышленное получение этого гормона.

7. Многие виды бактерий служат причиной болезни растений, жи­вотных и человека.

Глава 11

ЦАРСТВО ВИРУСЫ (VIRA)

История открытия вирусов

В конце XIX века странная болезнь поражала в Крыму плантации табака. Листья заболевших растений покрывались ржавыми пятнами, сморщивались и засыхали.

Этой болезнью заинтересовался выпускник Петербургского уни­верситета Д. И. Ивановский. Чтобы выделить возбудителя заболевания, он растер листья больных растений, а полученный сок профильтровал через полотно. Однако ни в процеженном соке, ни в остатке на полотне болезнетворных бактерий Д. И. Ивановский не обнаружил. В то же время процеженный сок, наносимый на листья здоровых растений, в 80% случаев вызывал характерное заболевание. Может быть, бактерии, вызы­вающие заболевания, слишком малы? Ивановский процеживает сок че­рез фарфоровый фильтр, который, как известно, не пропускает даже са­мых мелких бактерий. И опять безрезультатно. Д. И. Ивановский делает вывод, что болезнь табака вызывают мельчайшие фильтрующиеся бак­терии, которые невозможно увидеть в оптический микроскоп.

Через несколько лет причины заболевания табака исследует гол­ландский микробиолог Мартин Бейеринк и приходит к выводу, что растения поражает... ядовитая жидкость, которую он назвал «виру­сом» (от лат. вирус — яд). Но яд оказался весьма странным: сила любого яда зависит от его концентрации, а вот вирус Бейеринка в любом разбавлении давал одинаковый результат. Да и источник яда оставался неизвестным.

В 1932 году профессор Уиндел Стенли (США) сумел из тонны пораженных листьев получить чайную ложку кристаллов. Натирая растворами этих кристаллов листья здоровых растений, он вызвал у них характерные заболевания. Но разве живые существа могут превра­щаться в кристаллы? Стенли делает вывод, что вирусы — это не живые существа, а белковые молекулы.

Лишь спустя семь лет с помощью электронного микроскопа уда­лось увидеть неуловимый вирус.

Строение вирусов

Все вирусы можно рассматривать как генетические элементы, одетые в защитную белковую оболочку и способные переходить из одной клетки в другую.

Отдельные вирусные частицы — вирионы — представляют сим­метричные тела, состоящие из повторяющихся элементов. В сердцеви­не каждого вириона находится генетический материал, представлен­ный молекулами ДНК и РНК. Велико разнообразие форм этих молекул: есть вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК в кольцевой или линей­ной форме; вирусы с одноцепочечной кольцевой ДНК; одноцепочечной или двухцепочечной РНК; содержащие две идентичные одноцепочечные РНК.

Генетический материал у вируса (геном) окружен капсидом — белковой оболочкой, защищающей его как от действия нуклеаз — фермен­тов, разрушающих нуклеиновые кислоты, так и от воздействия ультрафи­олетового излучения.

Вирусы — инфекционные агенты

Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию. Лишь попав в клетку, генетический материал вируса воспроизводится, переключая работу клеточных биохимических конвейеров на производство вирусных белков: как ферментов, необходи­мых для репликации вирусного гниения — всей совокупности его генов, так и белков оболочки вируса. В клетке же происходит сборка из нуклеиновых кислот и белков многочисленных потомков одного попавшего в нее вируса.

В настоящее время известно более 800 видов вирусов, паразити­рующих на растениях (фитовирусы), животных, человека и даже бакте­риях (бактериофаги, или просто — фаги).

Изучение вирусов позволило не только установить причины мно­гих заболеваний, известных с глубокой древности, но и найти способы борьбы с ними.

Поселяясь в клетках живых организмов, вирусы вызывают многие опасные заболевания растений (мозаичная болезнь табака, томатов, огурцов; скручивание листьев и др.) и домашних животных (ящур, чума свиней и птиц и т. д.), что резко снижает урожайность культур и приводит к массовой гибели животных.

Вирусы вызывают опасные заболевания у человека (корь, оспа, полиомиелит и др.). В последние годы к ним прибавилось еще одно заболевание — СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита).

Происхождение вирусов в процессе эволюции пока не ясно. Предполагается, что вирусы представляют собой сильно дегенерировавшие клетки или их фрагменты, которые в виде приспособления к паразитиз­му утратили все, без чего можно обойтись, за исключением своей на­следственной информации и защитной белковой оболочки.