Біологія. Довідник школяра та абітурієнта

Розділ VI. Організмовий рівень організації життя

Особливості прокаріотів та їх місце в системі живих істот

К. Лінней у книзі «Система природи» (1758) об’єднав усіх представників мікросвіту в одну групу й дав їй назву «хаос». Проте вже в 1767 р. у середині цієї групи він виділив п’ять родин, до однієї з яких (Infusorium) він відніс бактерії. Німецький ботанік Ф. Кон (1859) на основі морфологічних, функціональних та екологічних ознак помістив їх у рослинне царство. У другій половині XIX ст. німецький біолог Е. Геккель дійшов висновку, що мікроорганізми настільки істотно відрізняються від тварин і рослин, що їх потрібно виділити в самостійне царство Protista, (грецьк. protos — перший) — протисти, першоістоти. Цей термін і досі використовують у мікробіології.

З кінця XIX ст. дослідники почали накопичувати дані про неоднорідність протист, що змусило поділити цю групу на вищі та нижчі протисти. До вищих протист належать найпростіші, мікроскопічні водорості (крім синьо-зелених) і гриби (плісневі, дріжджі), а до нижчих — бактерії і ціанобактерії (синьо-зелені водорості). Вищі протисти отримали назву еукаріоти, нижчі — прокаріоти.

Сьогодні всі клітинні форми життя поділяють на Procariotae і Eucariotae. До прокаріот належать бактерії та ціанобактерії, до еукаріот — рослини, гриби, тварини,.

Бактерії

Прокаріоти — гаплоїдні організми, які зазвичай не мають мітохондрій і комплексу Гольджі, їм не властивий амебоподібннй рух. Вони складаються з нуклеоїду, цитоплазми з різними включеннями, оболонки та інших структур, а їхню ультраструктуру вивчають за допомогою електронного мікроскопа та хімічних досліджень.

Нуклеоїд бактерій складається із замкнутих у кільце подвійних ниток ДНК, не відмежований від цитоплазми мембраною і не зв’язаний з основним протеїном бактеріальної клітини. Він має дифузний характер, локалізований у центральній частині цитоплазми клітини, перебуває в контакті з цитоплазматичною мембраною, мезосомами та полісомами. На різних етапах розвитку бактеріальної клітини ДНК нуклеоїда може набувати вигляду ниток, тяжів, вузлуватої або тонкої сітки чи скупчень.

У клітинах бактерій у фазі спокою є один нуклеоїд, у фазі, що передує поділу, — два, у логарифмічній — чотири й більше.

У клітин, що активно ростуть, бактеріальний нуклеоїд має такий же коефіцієнт заломлення світла, як і цитоплазма. Співвідношення геномної речовини й цитоплазми коливається в межах 1 : 2 - 1 : 10. Виявити нуклеоїд можна за допомогою мікрохімічної реакції Робіноу — Фельгена на ДНК, флюоресцентної мікроскопії забарвлених флюорохромами препаратів бактерій а також на ультратонких зрізах під електронним мікроскопом.

Цитоплазма бактерій є дисперсною сумішшю колоїдів, що складається з води, білків, вуглеводів, ліпідів, мінеральних сполук та інших речовин. Під час старіння культури дисперсність цитоплазми бактерій змінюється: вона стає пористою, у ній утворюються вакуолі, наповнені клітинним соком. Цитоплазма нерухома, має високу щільність, містить дрібні зерна діаметру 10-20 нм, що складаються з 60 % РНК і 40 % протеїну. Такі зерна отримали назву рибосом. Це дуже важливі структури для життєдіяльності бактерій. Із кількох рибосом утворюються полісоми. Рибосоми й полісоми прикріплені до мембран і фібрилярних структур. У цитоплазмі, крім нуклеоїду, є цитоплазматичні генетичні структури у вигляді невеликих молекул ДНК — плазміди, які детермінують синтез різних речовин.

У цитоплазмі бактерій є включення: гранули волютину, ліпопротеїдні тільця, глікоген, гранульоза, скупчення пігменту, крупинки сірки тощо.

Гранули волютину забарвлюються інтенсивніше, ніж цитоплазма бактеріальної клітини. Вони містять метафосфати; дуже щільні для потоку електронів. Величина гранул волютину становить 0,1-0,5 мкм.

Уперше волютин було виявлено у Spirillum volutans (звідси його назва), потім у Corynebacterium diphtheriae та багатьох інших видів бактерій. Наявність гранул волютину беруть до уваги під час лабораторної діагностики дифтерії.

Ліпопротеїдні тільця у вигляді краплин жиру часто трапляються в деяких бацил і спірил. Вони зникають під час голодування клітин і з’являються, коли бактерії ростуть на поживних середовищах, що містять багато вуглеводів. Наявність їх у цитоплазмі виявляють забарвленням Суданом або фуксином.

Гранули волютину та ліпопротеїдні включення є запасним матеріалом.

До внутрішньоклітинних включень належать глікоген і гранульоза, які виявляють за допомогою обробки розчином Люголя. Глікоген забарвлюється в червонувато-коричневий колір, гранульоза — у сіро-синій. Зерна глікогену виявляються в аеробних бацил, гранульоза — у маслянокислих бактерій, особливо Clostridium pectinovorum. До складу клітин деяких бактерій входять кристалоїдні включення білкової природи, які є дуже отруйними для комах.

У цитоплазмі сіркобактерій (Beggiatoa), які окиснюють сірководень, Сульфур відкладається у вигляді краплин колоїдальної структури, має енергетичне значення та бере участь в анаеробному дегідруванні.

Цитоплазма сіркобактерій з роду Achromatium містить зерна аморфного кальцій гідрокарбонату, фізіологічне значення яких поки що не з’ясоване. У цитоплазмі є вакуолі, оточені мембраною ліпопротеїдного походження, які містять водні розчини різних речовин. Кількість вакуоль коливається в межах 6-10, а в період активного росту зростає до 20.

У цитоплазмі мікобактерій, стрептококів, протею, актиноміцетів, клостридій та інших мікроорганізмів є рапідосоми, або мікротрубочки. У мікобактерій вони забезпечують функцію пересування ковзанням по густому субстрату. Ці мікротрубочки за структурою та розмірами схожі на мікротрубочки найпростіших, рослин і тварин.

Оболонка бактерій складається із цитоплазматичної мембрани, клітинної стінки та капсульного шару, який у деяких видів перетворюється на справжню капсулу.

Цитоплазматична мембрана прилягає до внутрішньої поверхні клітинної стінки бактерії. Товщина мембрани становить 5-7,5 нм. Вона являє собою складне утворення з трьох шарів: ліпідного, протеїнового та полісахаридного. До складу цитоплазматичної мембрани входять білки, фосфоліпіди, ліпопротеїн, невелика кількість вуглеводів та інших сполук. Цитоплазматична мембрана виконує функцію роздільної перегородки. Крізь неї за допомогою ферментів (пермеаз) невпинно здійснюється активне транспортування різних речовин, потрібних для життєдіяльності бактерії. У цитоплазматичній мембрані локалізовані чутливі рецептори, за допомогою яких бактерії розпізнають і обробляють сигнали, що надходять із навколишнього середовища, диференціюють поживні речовини та різні антибактеріальні сполуки. На поверхні цитоплазматичної мембрани є активні ферментні системи, що беруть участь у синтезі білків, токсинів, ферментів, нуклеїнових кислот та інших речовин, а також в окиснювальному фосфорилюванні.

У цитоплазматичній мембрані відбуваються сотні різноманітних взаємопов’язаних реакцій. У перетинках лізосом є дихальні ферменти, які транспортують електрони. У разі вдавлювання (інвагінації) у бік цитоплазми цитоплазматична мембрана утворює мезосоми, які відіграють певну роль у формуванні клітинних стінок і під час поділу. З цитоплазматичною мембраною пов’язані такі властивості бактеріальної клітини, як осмотичний тиск, непроникність для багатьох речовин, бар’єрна функція між клітиною та зовнішнім середовищем.

Клітинна стінка бактерій завтовшки 10-35 нм, має шарувату будову. Основним матеріалом клітинної стінки є глікопептидний шар — пептидоглікан (муреїн), зв’язаний з ліпопротеїдами, фосфоліпідами та ліпополісахаридами.

Відповідно до особливостей забарвлення за Грамом, усі бактерії поділяють на грам-позитивні та грам-негативні. Цій ознаці надають великого значенім в сучасній таксономії.

У клітинній стінці грам-позитивних бактерій є шар глікопептидів із тейхоєвою кислотою, локалізованою ближче до поверхні. Однією з головних функцій тейхоєвої кислоти є зв’язування йонів Магнію та збереження високої концентрації катіонів на поверхні клітинної стінки. Йони Магнію зумовлюють стабільність як клітинних, так і зв’язаних з мембраною ферментів. Пептидоглікан, маючи ригідні властивості, надає бактеріям певної форми.

До складу деяких грам-позитивних бактерій входять полісахариди (маноза, галактоза, арабіноза та інші). У грам-негативних бактерій стінка складається із трьох полімерів: зовнішнього (полісахаридного), внутрішнього (глікопептидного), а ззовні від пептидоглікану розміщений додатковий шар клітинної стінки — зовнішня мембрана. Вона складається з фосфоліпідів, типових для елементарних мембран: білків, ліпопротеїну та ліпосахариду. У грам-позитивних бактеріях уміст пептидоглікану становить близько 90 % матеріалу клітинної стінки, у грам-негативних — 5-20 %.

Клітинна стінка є в бактерій, актиноміцетів, ціанобактерій, рикетсій. Вона відсутня в спірохет, міксобактерій і мікоплазм. Завдяки наявності щільної клітинної стінки бактерії можуть зберігати певну форму. Вона захищає бактерії від шкідливого впливу факторів навколишнього середовища, бере участь у рості й поділі клітини. Клітинну стінку можна відокремити від цитоплазматичної мембрани.

Цитоплазма деяких грам-позитивних бактерій може бути звільнена від клітинної стінки руйнуванням її лізоцимом. Бактерії, цілком позбавлені клітинної стінки, називають протопластами; вони мають кулясту форму, можуть ділитися, дихати, синтезувати білки, нуклеїнові кислоти, ферменти й утворювати спори. Одночасно з подібністю до бактерій протопласти мають і низку істотних відмінностей. Протопласти — дуже нестійкі структури, чутливі до змін осмотичного тиску, механічних впливів та висушування, не можуть синтезувати складові частини клітинної стінки, не піддаються інфікуванню вірусами бактерій (фагами) й нездатні активно рухатись.

У разі часткового розчинення клітинної стінки під впливом лізоциму або інших факторів паличкоподібні (переважно грамнегативні) клітини перетворюються у сферичні тіла, що отримали назву сферопласти.

До протопластів належать L-форми бактерій. Морфологічно вони є крупними кулястими та ниткоподібними плазматичними структурами. Ці форми бактерій утворюються в результаті пригнічення синтезу клітинної стінки, що призводить до порушення координації між ростом і поділом клітини; найчастіше це буває під впливом пеніциліну. Розрізняють стабільні й нестабільні L-форми бактерій. Нестабільні L-форми, на відміну від стабільних, можуть утворювати клітинну стінку після припинення дії трансформуючого агента. Стабільні L-форми за своїми властивостями дуже подібні до мікоплазм.

Капсульний шар (капсула). Під впливом різних факторів середовища деякі мікроорганізми можуть відкладати на поверхні, навколо клітинної стінки, товстий шар слизу — капсулу. Капсула складається з полісахаридів, глікозаміногліканів (мукополісахаридів) або поліпептидів.

Залежно від особливостей мікроорганізмів та складу поживного середовища, хімічний склад капсул може змінюватись. У деяких штамів стрептококів вони складаються з полімерів глюкози й фруктози, у S. pneumoniae — із суміші полімерів глюкози, галактози та глюкуронової кислоти, у В. anthracis — із поліглутамінової кислоти. Капсула погано забарвлюється барвниками оскільки містить багато води.

Капсулоутворення вважають пристосувальною функцією бактерій. Патогенні капсульні мікроорганізми стійкіші проти фагоцитозу, дії захисних факторів організму хазяїна та зовнішнього середовища. Вона не є необхідною частиною клітини. За допомогою ферментів капсульний шар можна видалити, не завдаючи шкоди бактерії, хоч після цього їх патогенність знижується.

У деяких видів бактерій з речовиною капсули пов’язана їх серологічна специфічність, що визначається наявністю комплексу полісахаридів.

В одних мікроорганізмів (5. pneumoniae, В. anthracis, С. perfringens) капсула утворюється лише після потрапляння в організм тварини або людини, в інших (клебсієли пневмонії, озени й риносклероми) — як в організмі, так і поза ним. Деякі бактерії (стафілококи, стрептококи, коринебактерії дифтерії) утворюють мікрокапсулу, яку видно в електронний мікроскоп: міцно пов’язані з клітинною стінкою мікрофібрили мукополісахаридів.

Більшість мікроорганізмів, особливо культивовані в поживному середовищі, що містить багато вуглеводів, здатні утворювати мікрокапсули. Для сапрофітних бактерій (лейконосток) характерне утворення капсули, спільної для багатьох особин. Такі скупчення мікроорганізмів, що містяться в спільній капсулі, називають зооглеями.

Для виявлення капсул застосовують спеціальні методи обробки бактерій. Це роблять з діагностичною метою.

Джгутики. Рухомі бактерії поділяють на повзальні (ковзальні) та плавальні.

Повзальні бактерії повільно пересуваються (повзуть) по поверхні в результаті хвилеподібних скорочень тіла, які обумовлюють періодичну зміну форми клітини. До них належать Myxococcus, Beggiatoa, Thiothrix (табл 5).

Плавальі бактерії вільно рухаються в рідкому середовищі. Вони мають джгутики завтовшки 0,02-0,06 мкм і завдовжки 6-9 мкм (у деяких спірил — 30-90 мкм).

Джгутики складаються з білкових речовин типу флагеліну, який належить до класу скоротливих білків (кератин, міозин, фібриноген), але значно відрізняється від білків тіла бактерії. У речовині джгутиків виявлено лізин, аспарагінову та глутамінову кислоти, аланін та інші амінокислоти.

Джгутики зв’язані з тілом бактеріальної клітини за допомогою двох дисків: зовнішній міститься в клітинній стінці, внутрішній — у цитоплазматичній мембрані. Наявність джгутиків у бактерій виявляють за допомогою мікроскопії в темному полі, застосуванням особливих методів обробки їх протравами, завдяки адсорбції на поверхні клітин бактерій різних речовин і барвників, а також за допомогою електронної мікроскопії. Останній метод дав змогу виявити спіралеподібну форму й гвинтоподібну будову джгутиків. Осьова нитка джгутика складається з перевитих дуже тоненьких ниток, покритих білковим чохлом.

За розміщенням джгутиків плавальні бактерії поділяють на чотири групи: монотрихи — з одним джгутиком (холерний вібріон, синьогнійна паличка); амфітрихи — мають два полярно розташовані джгутики або пучки джгутиків (Spirillum volutans); лофотрихи — мають пучок джгутиків на одному кінці (паличка синьо-зеленого молока, Alcaligenes faecalis); перитрихи — мають джгутики по всій поверхні тіла (E. coli, сальмонели черевного тифу, паратифів А і В).

Наведена класифікація умовна. За допомогою електронної мікроскопії виявлено, що в деяких монотрихів джгутик міститься не на кінці тіла, а в місці переходу бокової поверхні до полюса. Доведено, що бактерії, яких раніше вважали монотрихами, мають по кілька джгутиків. Самостійне існування амфітрихів заперечують. Вважають, що амфітрих являє собою дві, клітини, що не повністю поділилися, із джгутиками на дистальних кінцях.

Джгутики — основний локомоторний органоїд бактерій. У результаті їх енергійного руху, що нагадує обертання штопора, рідина переміщується уздовж джгутиків і бактерії розвивають швидкість майже 50 мкм/с. Механізм скорочення добре не вивчений. Вважають, що білок чохла, який оточує джгутик, утворює з флагеліном двокомпонентну систему, яка скорочується на зразок актоміозину. Можливо, скоротлива функція джгутиків зумовлена існуванням двох конфігурацій молекул флагеліну, які відрізняються складом амінокислот.

Характер руху бактерій залежить від кількості джгутиків, віку і властивостей культури, температури, наявності хімічних речовин та інших факторів. Найшвидше рухаються монотрихи (60 мкм/с).

Рухливі бактерії здатні до таксису — спрямованого переміщення. Залежно від факторів, під впливом яких відбувається рух, розрізняють хемотаксис, аеротаксис і фототаксис.

Хоч наявність джгутиків і є видовою ознакою, однак вони не завжди життєво необхідні, є безджгутикові варіанти рухливих видів бактерій.

Ворсинки (фімбрії), війки. У різних видів бактерій є ворсинки, які значно коротші й тонші від джгутиків. Вони вкривають поверхню клітини. Кількість ворсинок в однієї особини сягає 100-400, довжина — 0,3-1 мкм, товщина — 0,01 мкм.

Ворсинки поділяють на типи.

Ворсинки загального типу є в бактерій, здатних до адгезії. За допомогою адгезинів (структурні утвори на поверхні клітин бактерій) вони прикріплюються до клітин тварин і людини.

Ворсинки-пілі виявляють в ентеробактерій, нейсерій, гемофільних видів, стрептококів групи А, коренебактерій та інших. Пілі, як і джгутики, не є обов’язковими структурами клітин бактерій. Найбільший інтерес становлять F-пілі, усередині яких є канал: через нього в процесі кон’югації генетичний матеріал передасться від донора до реципієнта. Можливо, пілі є рецепторними ділянками для деяких РНК-вмісних вірусів.

У багатьох бактерій на поверхні тіла є переплетення довгих полісахаридних волокон, які утворюють глікокалікс (грецьк. calix — оболонка), що складається з декстринів і леванів.

У стрептококів (грам-позитивні бактерії) є зовнішній шар протеїнових ворсинок, який називають М-протеїном. Він відіграє важливу роль у процесах взаємовідношення бактерій і макроорганізму.

У деяких паличкоподібних форм поверхня клітин покрита виростами, шипами.

Крім руху за допомогою джгутиків або в результаті скорочення тіла, мікроорганізми здатні до пасивного (броунівського) руху, що є результатом теплового руху молекул навколишнього середовища.

Спори й спороутворення. Спори (ендоспори) — утвори круглої або овальної форми. Формування спор — одна зі стадій розвитку певних мікроорганізмів.

Під час спороутворення відбувається диференціація клітини: зникнення компонентів вегетативної форми й утворення нових структур. Спороутворення властиве деяким, переважно паличкоподібним, мікроорганізмам (бацили і клостридії). До них належать збудники сибірки, правця, анаеробної інфекції, ботулізму та сапрофіти, які живуть у ґрунті й воді. Порівняно рідко спори утворюються в коків (Sarcina lutea, Sarcina urea) та звивистих форм (Desulfovibrio).

Утворюються спори в зовнішньому середовищі (ґрунт, живильне середовище). Цього не буває в тканинах людини й тварин. У процесі спороутворення розрізняють чотири послідовні стадії:

• 1) підготовчу;
• 2) стадію передспори;
• 3) утворення, оболонки;
• 4) дозрівання.

Коли бацили потрапляють у несприятливі умови, у клітині настають структурні зміни. В одній з ділянок клітини цитоплазма з частиною нуклеоїду ущільнюється й утворюється передспорова мембрана, яка згодом вкривається твердою, малопроникною багатошаровою оболонкою. Решта клітини поступово відмирає, і формується зріла спора, що становить близько 1/10 об’єму материнської клітини. Цей процес спороутворення закінчується протягом 18-20 год.

Спори характеризуються значним заломленням світла й під час бактеріоскопічного дослідження в незабарвленому стані (вони погано забарвлюються) мають вигляд блискучих зерен. Завдяки твердій багатошаровій оболонці, що має пластинчасту будову, мінімальній кількості вільної води та високому вмісту Кальцію, ліпідів і піколінової кислоти, спори мають підвищену стійкість до дії факторів навколишнього середовища і можуть довго (десятки років) зберігатися в несприятливих умовах. Спори деяких бацил витримують кип’ятіння і дію високих концентрацій дезинфікуючих речовин. Вони гинуть лише від дії насиченої пари за температури 115-125 °С, а також під впливом температури 150-170 °С у повітряному стерилізаторі.

Потрапляючи в сприятливі умови, спори проростають і перетворюються у вегетативні форми.

Вони набухають, вміст води у них зростає, процеси обміну посилюються, і спори починають добре забарвлюватися аніліновими барвниками. Крізь оболонку на полюсі, у центрі або між полюсом і центром проникає проросток, який витягується у паличку.

Паличкоподібна бактерія з фімбріями (збільш, x75 000)

Коки з фімбріями (збільш. x12 000)

Зазвичай проростання йде значно швидше (4-5 год), ніж утворення спор. Проростають спори послідовно: у стадії активації з’являються мембрани, які оточують протопласт; у стадії справжнього проростання втрачається чіткість шарів, які оточують протопласт, і в останній стадії формується клітинна стінка. У заключній стадії росту настає період біосинтезу, що завершується поділом клітини.

Спороутворення у бацил і клостридій не є функцією розмноження, оскільки в більшості паличкоподібних форм утворюється лише по одній спорі. В актиноміцетів утворення спор (екзоспор) виконує функції не лише збереження виду в несприятливих умовах, а й розмноження.

У тілі бацил і клостридій спори можуть розміщуватись: а) центрально (збудник сибірки); б) субтермінально — ближче до кінця (збудники ботулізму, анаеробної інфекції); в) термінально — на кінці (збудник правця). В окремих видів споротворних мікроорганізмів (клостридій) діаметр спор перевищує діаметр бактеріальної клітини. У випадку субтермінальної локалізації спор такі особини стають веретеноподібними. До них належать клостридії маслянокислого бродіння (С. butyricum) та інші У клостридії правця діаметр спори перевищує її ширину, але розміщується спора на кінці, внаслідок чого мікроорганізм за формою нагадує барабанну паличку. Здатність мікроорганізмів до спороутворення використовують у їх систематиці, а також у виборі методів знезаражування предметів, приміщень, харчових продуктів, різних виробів. У результаті частого пересівання на свіже середовище або культивування за високої температури ця здатність може бути втрачена.