Мікроорганізми: будова і класифікація
будова мікроорганізмів
Мікроорганізмами (мікробами) називають одноклітинні організми розміром менше 0,1 мм, які неможливо побачити неозброєним оком. До них відносяться бактерії, мікроводорості, деякі нижчі міцеліальні гриби, дріжджі, найпростіші (рис. 1). Їх вивченням займається мікробіологія.
Мал. 1. Об`єкти мікробіології.
На рис. 2. можна побачити деяких представників одноклітинних найпростіших. Іноді до об`єктів даної науки відносять найпримітивніші організми на Землі - віруси, що не мають клітинну структуру і представляють собою комплекси з нуклеїнових кислот (генетичного матеріалу) і білка. Найчастіше їх виділяють в абсолютно окрему область дослідження (вірусологія), так як мікробіологія швидше спрямована на вивчення мікроскопічних одноклітинних.
Мал. 2. Окремі представники одноклітинних еукаріот (найпростіших).
Такі науки, як альгологія і мікологія, які вивчають водорості і гриби, відповідно, є окремими дисциплінами, що перекриваються з мікробіологією в разі дослідження мікроскопічних живих об`єктів. Бактеріологія є істинним розділом мікробіології. Дана наука займається вивченням виключно прокариотних мікроорганізмів (рис. 3).
Мал. 3. Схема клітини прокаріотів.
На відміну від еукаріот, до яких відносяться всі багатоклітинні організми, а також найпростіші, мікроскопічні водорості і гриби, у прокаріотів відсутній оформлене ядро, що містить генетичний матеріал і справжні органели (постійні спеціалізовані структури клітини) .
До прокаріотів відносяться справжні бактерії і археї, за сучасною класифікацією позначені, як домени (надцарства) Archaea і Eubacteria (рис. 4).
Мал. 4. Домени сучасної біологічної класифікації.
Особливості будови бактерій
Бактерії є важливою ланкою в кругообігу речовин в природі, розкладають рослинні і тваринні залишки, очищають забруднені органікою водойми, модифікують неорганічні сполуки. Без них не могла б існувати життя на землі. Дані мікроорганізми поширені всюди, в грунті, воді, повітрі, організмах тварин і рослин.
Бактерії розрізняються за такими морфологічними особливостями:
- Форма клітин (округлі, паличкоподібні, нитчасті, покручені, спіралеподібні, а також різні перехідні варіанти і зіркоподібна конфігурація).
- Наявність пристосувань для руху (нерухомі, жгутикові, за рахунок виділення слизу).
- Зчленування клітин один з одним (ізольовані, зчеплені в вигляді пар, гранул, розгалужені форми).
Серед структур, утворених округлими бактеріями (кокками) виділяють клітини, що знаходяться в парі після поділу і потім розпадаються на поодинокі освіти (мікрококи) або залишаються весь час разом (диплококки). Квадратичну структуру з чотирьох клітин утворюють тетракоккі, ланцюжок - стрептококи, гранулу з 8-64 одиниць - сарціни, грона - стафілококи.
Паличкоподібні бактерії представлені різноманіттям форм внаслідок великої мінливості довжини (0,1-15 мкм) і товщини (0,1-2 мкм) клітини. Форма останніх також залежить від здатності бактерій до утворення спор - структур з товстою оболонкою, що дозволяє переживати мікроорганізмам несприятливі умови. Клітини з такою здатністю називає бацилами, а не володіють такими властивостями просто паличкоподібними бактеріями.
Особливими видозмінами паличковидних бактерій є нитчасті (витягнуті) форми, ланцюжки і розгалужені структури. Останню утворюють актиноміцети на певній стадії розвитку. «Криві» палички називають звитими бактеріями, серед яких виділяють вібріони- спірили, мають два вигини (15-20 мкм) - спірохети, що нагадують хвилясті лінії. Їх довжини клітин 1-3, 15-20 і 20-30 мкм, відповідно. На рис. 5 і 6 представлені основні морфологічні форми бактерій, а також типи розташування суперечки в клітці.
Мал. 5. Основні форми бактерій.
Мал. 6. Бактерії за типом розташування суперечки в клітці. 1, 4 - в центрі-2, 3, 5 - кінцевий Розташування-6 - з боку.
Основні клітинні структури бактерій: нуклеоид (генетичний матеріал), призначені для синтезу білка рибосоми, цитоплазматическая мембрана (частина оболонки клітини), яка у багатьох представників додатково зверху захищена клітинною стінкою, капсулою і слизових чохлом (рис. 7).
Мал. 7. Схема бактеріальної клітини.
За класифікацією бактерій виділяють більше 20 типів. Наприклад, екстремально термофільні (любителі високих температур) Aquificae, анаеробні паличкоподібні бактерії Bacteroidetes. Однак найбільш домінантним типом, що включає в себе різноманітних представників, є Actinobacteria. До нього відносяться біфідобактерії, лактобацили, актиноміцети. Унікальність останніх полягає в здатності формувати міцелій на певній стадії розвитку.
У народі це називається грибниця. Дійсно, розгалуження клітин актиноміцет нагадують гіфи грибів. Незважаючи на таку особливість, актиноміцети відносять до бактерій, так як вони є прокариотами. Природно їх клітини за особливостями структури менш схожі з грибами.
Актиноміцети (рис. 8) є повільно зростаючими бактеріями, тому не мають можливості конкурувати за легкодоступні субстрати. Вони здатні розкладати речовини, які інші мікроорганізми не можуть використовувати як джерело вуглецю, зокрема вуглеводні нафти. Тому актиноміцети інтенсивно досліджуються в галузі біотехнології.
Деякі представники концентрується в зонах нафтових родовищ, і створюють спеціальний бактеріальний фільтр, що перешкоджає проникненню вуглеводнів в атмосферу. Актиноміцети є активними продуцентами практично цінних сполук: вітамінів, жирних кислот, антибіотиків.
Мал. 8. Представник актиноміцет Nocardia.
Гриби в мікробіології
Об`єктом мікробіології є тільки нижчі цвілеві гриби (різопус, мукор, зокрема). Як все гриби вони не здатні синтезувати речовини самі і потребують живильному середовищі. Міцелій у нижчих представників даного царства примітивний, не поділений перегородками. Особливу нішу в мікробіологічних дослідженнях займають дріжджі (рис. 9), що відрізняються відсутністю міцелію.
Мал. 9. Форми колоній дріжджових культур на живильному середовищі.
В даний час про їх корисні властивості зібрані численні знання. Однак дріжджі продовжують досліджуватися на здатність синтезувати практично цінні органічні сполуки і активно застосовуються в якості модельних організмів при проведенні генетичних експериментів. З давніх часів дріжджі використовувалися в бродильних процесах. Метаболізм у різних представників відрізняється. Тому для якогось конкретного процесу одні дріжджі більше підходять, ніж інші.
Наприклад, Saccharomyces beticus, більш стійкі до високих концентрацій спирту, використовуються для створення міцних вин (до 24%). У той час як, дріжджі S. cerevisiae здатні виробляти більш низькі концентрації етанолу. За напрямками їх застосування дріжджі класифікуються на кормові, пекарські, пивні, спиртові, винні.
хвороботворні мікроорганізми
Хвороботворні або патогенні мікроорганізми зустрічаються повсюдно. Поряд з широко відомими вірусами: грип, гепатит, кір, ВІЛ та інше небезпечними мікроорганізмами є рикетсії, а також стрепто- і стафілококи, які викликають зараження крові. Серед паличковидних бактерій багато збудників захворювань. Наприклад, дифтерія, туберкульоз, черевний тиф, сибірська виразка (рис. 10). Чимало небезпечних для людини представників мікроорганізмів зустрічається серед найпростіших, зокрема малярійний плазмодій, токсоплазма, лейшмания, лямблії, трихомонада, патогенні амеби.
Мал. 10. Фотографія бактерії Bacillus anthracis, що викликає сибірську виразку.
Багато актиноміцети не є небезпечними для людини і тварин. Однак чимало патогенних представників зустрічається серед мікобактерій, що викликають туберкульоз, проказу (лепру). Деякі актиноміцети ініціюють таке захворювання, як актиномікоз, що супроводжується утворенням гранульом, іноді підвищенням температури тіла. Окремі види цвілевих грибів здатні виробляти токсичні для людини речовини - мікотоксини. Наприклад, деякі представники роду Aspergillus, Fusarium. Патогенні гриби викликають групу захворювань, які називаються мікозами. Так, кандидоз або, просто кажучи, молочницю викликають дріжджоподібні гриби (рис. 11). Вони завжди утримуватися в організмі людини, але активізуються тільки при ослабленні імунітету.
Мал. 11. Гриб Candida - збудник молочниці.
Гриби можуть викликати різноманітні ураження шкіри, зокрема всілякі види позбавляючи, крім оперізувального (герпесу), який викликається вірусом. Дріжджі Malassezia - постійні мешканці шкіри людини при спаді активності імунної системи можуть викликати себорейний дерматит. Не варто відразу бігти мити руки. Дріжджі і умовно патогенні бактерії при доброму здоров`ї виконують важливу функцію, перешкоджають розвитку хвороботворних мікроорганізмів.
Віруси як об`єкт мікробіології
Віруси - найпримітивніші організми на землі. У вільному стані в них не відбуваються ніякі обмінні процеси. Тільки при попаданні в клітину-господаря віруси починають розмножуватися. У всіх живих організмів носієм генетичного матеріалу є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). Тільки серед вірусів зустрічаються представники з генетичною послідовністю типу рибонуклеїнової кислоти (РНК).
Часто віруси не відносять до істинно живим організмам.
Крім паразитів, що спеціалізуються на тварин і людину, серед них зустрічаються фітопатогенні представники, тобто ушкоджують тільки клітини рослин-бактеріофаги - «пожирачі бактерій». Відомо, що віруси здатні навіть розвиватися в загиблих клітинах, у яких залишилася відносно ціла структура, а генетичний матеріал загинув. Раніше під час епідемій спалювали тіла померлих як при бактеріальних, так і вірусних захворюваннях.
Морфологія вірусів дуже різноманітна (рис. 12). Зазвичай їх діаметральні розміри коливаються в межах 20-300 нм.
Мал. 12. Різноманітність вірусних частинок.
Окремі представники досягають в довжину 1-1,5 мкм. Структура вірусу полягає в оточенні генетичного матеріалу спеціальним білковим каркасом (капсидом), який вирізняється різноманітністю форм (спіральний, ікосаедрічеськая, кулястий). Деякі віруси зверху мають ще оболонку, сформовану з мембрани клітини-хазяїна (суперкапсид). Наприклад, вірус імунодефіциту людини (рис. 13) відомий як збудник захворювання, яке носить назву (СНІД). Він містить в якості генетичного матеріалу РНК, вражає певний тип клітин імунної системи (т-лімфоцити хелпери).
Мал. 13. Будова вірусу імунодефіциту людини.
Цикл розмноження даних паразитів починається з етапу прикріплення до клітини. Мішень містить особливі молекулярні кінці (рецептори), за якими її розпізнають віруси. Далі здійснюється проникнення всередину генетичного матеріалу паразита, часто з деякими іншими компонентами його структури. Розмноження вірусу відбувається за рахунок подвоєння (реплікації) генів і подальшого формування потрібних білків. Після цього віруси копіями звільняються з клітки і знову формують свою структуру.
Рикетсії - примітивні бактерії
Може здатися, що між вірусами і бактеріями велика прірва. Однак виявилося, що в природі є перехідні форми, що отримали назву рикетсії. Дані мікроорганізми за сучасною класифікацією належать до типу Proteobacteria (протеобактерии). Рикетсії за розміром можна порівняти з великими вірусами і є внутрішньоклітинними паразитами. Як і віруси, рикетсії здатні розмножуватися тільки в клітинах господаря. Клітини даних бактерій і без листя. Рикетсії, як правило, є паличкоподібними, зустрічаються також коки і нитки.
Захворювання, які викликають рикетсії у людини, нерідко протікають дуже важко. Виявляються симптоми лихоманки з ураженням центральної нервової і серцево-судинної систем. Як правило, рикетсії передаються людині при укусі кліщів, бліх, вошей. У клітинах переносників паразити містяться в спочиває (неактивної) формі і активізуються тільки при попаданні в господаря. Рикетсії можуть передаватися також через теплокровних тварин (щурів, мишей, собак), яким вони не приносять ніякої шкоди.
