ЛЕКЦИЯ №2. Прокариоты. Основы классификации и морфологии микроорганизмов. Система Берги. Формы и размеры бактериальных клеток

Раздел I.

ЛЕКЦИЯ №1. Введение.

Микробиология — это раздел биологии, изучающий закономерности жизни и развития микроорганизмов в их единстве с окружающей средой. Эта наука изучает свойства микроорганизмов, а также их влияние на макроорганизмы. Бактерии заселили Землю много миллиардов лет назад, задолго до появления первых высших растений и животных, а в настоящее время представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых организмов.

Обилие материала, накопленного за период научного развития микробиологии, обусловило необходимость разделения этой науки на ряд специализированных направлений:

1. Общая микробиология — изучает строение и жизнедеятельность микроорганизмов, их распространение в природе, наследственность и изменчивость.

2. Медицинская микробиология — изучает микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, и процессы, происходящие в организме при внедрении болезнетворных микроорганизмов.

3. Сельскохозяйственная микробиология или агромикробиология, изучает микроорганизмы, играющие роль в повышении плодородия почвы, создании удобрений.

4. Ветеринарная микробиология изучает микроорганизмы, вызывающие заболевания животных.

5. Промышленная — изучает микроорганизмы, которые используют в производстве пищевых продуктов, антибиотиков и других лекарственных веществ, создает способы защиты от вредного воздействия.

6. Морская и космическая микробиология изучает соответственно микрофлору морей и водоемов, космического пространства и других планет.

Основной задачей микробиологии является изучение свойств микроорганизмов, которые окружают нас повсюду – в воде, почве, организме человека и животных, с целью использования полезных для человека свойств микроорганизмов в различных отраслях народного хозяйства, а также микроорганизмов, вызывающих заболевания человека и животных, с целью воздействия на них специфической терапией и профилактики инфекционных заболеваний.

Еще до того, как открыли микроорганизмы, человечеству были знакомы заболевания. И уже в трудах Гиппократа появляются предположения о связи заразных болезней и особых болезнетворных испарений, которые он назвал «миазмами».

В трудах учеными Древней Греции Гиппократом (460–377 до н. э.), Лукрецием (95–55 н. э.), Галеном (131–211 до н. э.) была высказана гипотеза о живой природе возбудителей заразных заболеваний.

Но лишь с развитием химии, физики, медицины в эпоху Возрождения и в период промышленной революции XVI–XVII вв. в Западной Европе и России стали накапливаться наблюдения и научные исследования сущности инфекционных болезней.

Впервые увидел и описал микробы голландский ученый А. Левенгук (1632—1723), который изобрел двояковыпуклые линзы с увеличением в 160 раз. Он первый подметил, как кровь движется в капиллярах, а также увидел в семенной жидкости сперматозоиды. Открытия Левенгука вызвали живейший интерес у многих ученых и послужили толчком к изучению микромира. Но только через 150–200 лет были выяснены причины брожения, гниения, установлена роль микроорганизмов в этиологии инфекционных болезней, круговорота азота, углерода и других веществ в биосфере.

Уже на первых этапах развития микробиологии были сделаны попытки связать ее с практическими задачами борьбы с инфекционными заболеваниями.

Русский врач Самойлович (1744–1805), опираясь на богатый опыт борьбы с чумой, пришел к выводу, что чума вызывается «особливым и совсем отменным существом». Чтобы доказать свое предположение, в 1771 г. Самойлович ввел себе заразный материал, взятый от человека, выздоравливающего от бубонной формы чумы. За глубокое изучение чумы Самойлович был избран почетным членом западноевропейских академий.

Середина XIX в. явилась поворотным этапом в развитии микробиологии. В этот период она обогатилась новыми данными из физики, химии и биологии. Самым гениальным ученым XIX в. по праву был признан француз Луи Пастер (1822–1895). Впервые в истории науки Пастером были разработаны методы уничтожения микроорганизмов при воздействии на них высоких температур. Этот метод был положен в основу стерилизации. В 1879 г., работая с возбудителем куриной холеры, Пастер установил, что в определенных условиях культивирования патогенные микробы теряют свою вирулентность. На основе этого открытия он создает вакцины. В 1885 г. Пастер предложил прививки против бешенства. Научные открытия Л. Пастера показали роль микроорганизмов в возникновении инфекции. Он научился выращивать бактерии в искусственных питательных средах, но не знал способа обнаружения возбудителя в каждом отдельном случае инфекции.

Большое значение для медицинской микробиологии имели открытия немецкого ученого Роберта Коха (1843–1910), который обогатил микробиологию совершенными методами исследования. Им и его учениками в практику лабораторной техники введены плотные питательные среды (картофель, желатин, свернутая сыворотка, МПА), анилиновые красители, иммерсионная система, микрофотографирование. Благодаря усовершенствованию техники и методики микробиологических исследований Р. Кох окончательно установил этиологию сибирской язвы, открыл возбудителя туберкулеза (1882), холеры (1883) и получил из туберкулезных микробактерий туберкулин. Ученый подробно исследовал раневые инфекции и разработал способ выделения в чистой культуре патогенных бактерий.

В этом же году проводил исследования по изучению мозаичной болезни табака Д.И. Ивановский (1864–1920). Он пришел к выводу, что эту болезнь вызывает агент, который не растет на питательных средах и проходит через фильтры. Это была первая работа, доказавшая вирусную природу инфекционных болезней.

Успехи медицинской микробиологии в области этиологии инфекционных болезней обусловили необходимость изучения механизмов защитных реакций организма от инфекционных агентов. Первым ученым, показавшим, что многие клетки организма (лейкоциты, селезенки, костного мозга и пр.) способны захватывать и переваривать чужеродные различные элементы, в том числе и бактерии, был И.И. Мечников (1845–1916). Такие клетки он назвал «фагоцитами» (от греч. фаго – пожираю, цитоз – клетка), а открытое явление «фагоцитозом». В 1908 г. за это открытие ученый получил Нобелевскую премию.

В 1886 г. Мечников организовал в Одессе первую в стране бактериологическую станцию и создал школу микробиологов. Но его прогрессивные взгляды в научной и общественной жизни вызвали недовольство царского правительства и с 1887 г. до конца жизни он жил в Париже и работал в институте Пастера.

Выдающееся значение для развития отечественной микробиологии имеют работы Н.Ф. Гамалея (1859–1949 гг.). Он открыл явление лизиса (растворения) бактерий под действием других, более мелких микроорганизмов. Это открытие явилось началом развития новой отрасли в микробиологии – бактериофагии.

Основоположником почвенной микробиологии признан С.Н. Виноградский (1856–1953), который открыл группу почвенных бактерий, питающихся неорганическими соединениями, а также бактерий, улавливающих азот из воздуха. Его последователь В.Л. Омелянский (1867–1928 гг.) провел много работ в области сельскохозяйственной микробиологии и открыл возбудителей брожения клетчатки.

Я.Я. Никитинский (1878–1941 гг.) создал методы хранения пищевых продуктов, изолируя их от действия вредных организмов.

В развитии технической микробиологии большую роль сыграли исследования С.П. Костычева, С.Л. Иванова, А.И. Лебедева (в частности, в области спиртового брожения). Костычев изучал также вопросы других видов брожения (молочнокислого, маслянокислого) и производства лимонной кислоты с помощью грибков.

Дальнейшее развитие микробиологии тесно связано с успехами молекулярной биологии и генетики. Эти разделы поднимают науку на более высокий и современный уровень. Расшифровка основных принципов кодирования генетической информации в ДНК бактерий, а также универсальность генетического кода бактерий и вирусов позволили установить общие молекулярно-генетические закономерности, свойственные высшим организмам.

ЛЕКЦИЯ №2. Прокариоты. Основы классификации и морфологии микроорганизмов. Система Берги. Формы и размеры бактериальных клеток

Морфологический период развития микробиологии (XVII–XVIII вв.) не дал возможности классифицировать микроорганизмы, так как царил описательный период, т. е. морфологический. В течение XIX столетия был накоплен большой материал о различных свойствах микроорганизмов, постепенно увеличивался список видов микробов, и возникла необходимость систематики и их номенклатуры. И лишь в 1923 г. американский ученый Д. Берги выпустил первый международный определитель бактерий, который впоследствии дополнялся и изменялся.

С 1 января 1980 г. для микроорганизмов принята Единая международная классификация, в основе которой лежит система Берги.

Основными ступенями всех классификаций являются: царство – класс – порядок – семейство – род – вид. Главной классификационной категорией является вид – совокупность организмов, имеющих общее происхождение, сходные морфологические, физиологические признаки и обмен веществ.

Мир микроорганизмов делится на 2 группы: эукариоты и прокариоты. Бактерии относятся к царству прокариотов, представители которых, в отличие от эукариотов, не обладают оформленным ядром. Наследственная информация у прокариотов заключена в молекуле ДНК, располагающейся в цитоплазме клетки. К эукариотам, имеющим оформленное ядро и высокоорганизованные органеллы, относятся одноклеточные и многоклеточные организмы, простейшие, грибы, водоросли (кроме сине-зеленых).

Внутри вида существуют варианты: морфоварианты, или морфовары, отличающиеся по морфологии; биовары — по биологическим свойствам, хемовары — по ферментативной активности, серовары — по антигенной структуре, фаговары — по чувствительности к фагам.

Для обозначения микроорганизмов принята общебиологическая бинарная (двойная) номенклатура. Первое название обозначает род и пишется с прописной буквы. Второе название обозначает вид и пишется со строчной буквы. Например, Staphylococcus aureus — стафилококк золотистый, S. aureus.

Большинство микробов представляют собой невидимые невооруженным глазом одноклеточные (бактерии, актиномицеты, спирохеты, простейшие), неклеточные (вирусы), а также многоклеточные организмы (сине-зеленые водоросли, некоторые грибы, хламидобактерии).

Бактерии (от лат. bacteria — палочка) — это одноклеточные организмы, лишенные хлорофилла. По биологическим свойствам — прокариоты. Размеры от 0,1 до 0,15 микрометра до 16—28 мкм. Размеры и форма бактерий непостоянны и меняются от влияния среды обитания.

По внешнему виду бактерии делятся на 4 формы: шаровидные (кокки), палочковидные (бактерии, бациллы и клостридии), извитые (вибрионы, спириллы, спирохеты) и нитевидные (хламидобактерии).

1. Кокки (от лат. coccus — зерно) — шарообразный микроорганизм, бывает сферической, эллипсовидной, бобовидной и ланцетовидной формы. По расположению, характеру деления и биологическим свойствам кокки подразделяются на микрококки, диплококки, стрептококки, тетракокки, сарцины, стафилококки.

Микрококки характеризуются одиночным, парным или беспорядочным расположением клеток. Они являются сапрофитами, обитателями воды, воздуха.

Диплококки (от лат. diplodocus — двойной) делятся в одной плоскости и образуют кокки, соединенные по две особи. К диплококкам относятся менингококки — возбудители эпидемического менингита.

Стрептококки (от лат. streptococcus — витой), делящиеся в одной плоскости, располагаются цепочками различной длины. Имеются патогенные для человека стрептококки, вызывающие различные заболевания.

Тетракокки (от лат. Tetra — четыре), располагающиеся по 4, делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Редко встречаются в качестве возбудителей болезней у человека.

Сарцины (от лат. saris — связываю) — кокковые формы, которые делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и выглядят в виде тюков по 8—16 и более клеток. Часто встречаются в воздухе. Болезнетворных форм нет.

Стафилококки (от лат. staphylococcus) — гроздевидно расположенные кокки, делящиеся в различных плоскостях; располагаются неправильными скоплениями.

Некоторые виды вызывают у человека и животных заболевания.

2. Палочковидные формы подразделяются на бактерии, бациллы и клостридии.

Средние размеры от 1 до 6 мкм в длину и 0,5—2 мкм в ширину. К бактериям относятся палочковидные микроорганизмы, как правило, не образующие спор (кишечная палочка, брюшнотифозная, паратифозные, дизентерийные, дифтерийные, туберкулезные и др.).

К бациллам (от лат. bacillus — палочка) и клостридиям (от лат. closter — веретено) принадлежат микробы, в большинстве своем образующие споры (сенная, сибиреязвенная, столбнячная, возбудители анаэробной инфекции).

По форме палочковидные бактерии бывают короткими (туляремийная), длинными (сибиреязвенная) с закругленными и заостренными концами.

По взаимному расположению палочковидные формы распределяются на три подгруппы:

— диплобактерии и диплобациллы, располагающиеся попарно по длине (бактерии пневмонии);

— стрептобактерии (возбудитель мягкого шанкра) и стрептобациллы (бациллы сибирской язвы);

— бактерии и бациллы, которые располагаются без определенной системы (большинство палочковидных форм).

Встречаются бактерии с булавовидными утолщениями на концах — возбудитель дифтерии, некоторые имеют ветвления — микробактерии туберкулеза и лепры. Общее число палочковидных форм бактерий больше, чем корковидных.

3. К извитым формам бактерий относятся вибрионы, спириллы и спирохеты.

Вибрионы (от лат. vibrio — изгибаюсь — клетки, изгиб которых равен 14 завитка спирали, имеющие вид запятой). Типичный представитель — холерный вибрион и водные вибрионы.

Спириллы (от лат. spira — изгиб) — имеют изгибы с одним или несколькими оборотами спирали. Из патогенных известен один вид Spirillum minor — возбудитель содоку, способный вызывать у человека болезнь, передающуюся через укус крыс и других грызунов.

Спирохеты (от лат. spirochaeta — бактерия в виде изогнутого длинного винта — штопорообразная форма. Размеры от 0,3—1,5 мкм в ширину и 7—500 мкм в длину). В семейство входят сапрофиты и патогенные виды. Они обитают в загрязненных водоемах, на мертвых субстратах. К патогенным относятся три рода: Treponema, Leptospira, Borrelia.

4. Наряду с одноклеточными бактериями встречаются и нитчатые формы, представляющие собой многочисленные колониальные организмы. Эти организмы встречаются среди серо- и железобактерий.

Все микробы обладают полиморфизмом, т. е. индивидуальной изменчивостью форм под влиянием различных факторов — температуры, питательной среды, концентрации солей, кислотности, продуктов метаболизма, дезинфицирующих агентов, лекарственных препаратов.