Бактерии (от слова bacterion
— палочка) — это наиболее широко
распространенная в природе группа
микроорганизмов, представляющих собой
большой и чрезвычайно разнообразный
мир микроскопических существ. Клетки
наиболее мелких шаровидных бактерий
имеют в поперечнике менее 0,1 мкм
(т. е. 0,0001 мм). Подавляющее большинство
бактерий — это палочки, толщина
которых в среднем составляет
0,5—1 мкм, а длина 2—3 мкм. Очень редко
встречаются бактерии-«гиганты», клетки
которых имеют в диаметре 5—10
мкм, а в длину достигают 30—100
мкм.
Крайне малые
размеры клеток являются характерной,
но не главной особенностью
бактерий. Все бактерии представлены
особым типом клеток, лишенных
истинного ядра, окруженного ядерной
мембраной. Аналогом ядра у
бактерий является нуклеоид —
ДНК-содержащая плазма, не отграниченная
от цитоплазмы мембраной. Кроме
того, для бактериальных клеток
характерны отсутствие митохондрий,
хлоропла-стов, а также особое
строение и состав мембранных
структур и клеточных стенок.
Организмы, в клетках которых
отсутствует истинное ядро, называются
прокариотами (доядер-ными) или протоцитами
(т, е. организмами с примитивной
организацией клеток).
Бактерии, в широком
смысле слова,— это прокариотные
организмы. К прокариотам относятся
такие группы микроорганизмов,
как эубактерии, спирохеты, микоплаз-мы,
миксобактерии, лучистые грибки
(актино-мицеты) и сине-зеленые водоросли
(цианобактерии). Форма клеток у
бактерий может быть не только
палочковидной (цилиндрической), но
и шаровидной (кокки), спиральной (вибрионы,
спириллы, спирохеты). Актиномицеты
же и родственные им организмы
образуют длинные ветвящиеся
клетки — гифы, формирующие мицелий
(сплетение гиф). Клетки микоплазм,
лишенные плотной оболочки, способны
принимать самые причудливые,
постоянно изменяющиеся формы.
Рис. 1. Сравнительная
величина волоса и бактерий: 1 — увеличенное
изображение волоса (X 500); 2 — бактерии
в поле зрения светового микроскопа
(X 2000); з — бактерии под электронным
микроскопом (X 20 000).
Первооткрывателем
мира бактерий был Антоний
Левенгук — голландский естествоиспытатель
XVII в., впервые создавший совершенную
лупу-микроскоп, увеличивавший предметы
в 160 — 270 раз. Со времен Левенгу-ка
техника исследования микробиологических
объектов шагнула далеко вперед.
Созданы световые микроскопы, увеличивающие
объекты в 2000 и более раз.
С помощью современного электронного
микроскопа, увеличивающего предметы
в 200 000 — 500 000 раз, можно различать
и изучать самые мелкие микроорганизмы.
Для сравнения на рисунке 1
показаны размеры волоса в
микрометрах, изображение бактерии,
полученное в световом микроскопе,
и часть той же бактерии
в поле зрения электронного
микроскопа.
Вооруженная усовершенствованными
приборами, микробиология все
глубже и полнее познает свойства
и особенности мира невидимых.
Ученые-микробиологи разрабатывают
новые методы наилучшего использования
полезных микробов и пресечения
деятельности вредных.
Разработанный
русским микробиологом С. Н.
Виноградским метод выращивания
микробов в лабораториях на
элективных (избирательных) питательных
средах дал возможность более
подробно изучить различные микроорганизмы
и их распространение в природе.
Используя этот метод, ученые
установили, что бактерии обнаруживаются
всюду: в каждой капле даже
самой чистой воды, в крупинках
почвы, в воздухе, на скалах
Земли Франца-Иосифа и в снегах
полярных областей, в океане на
Северном полюсе. Разнообразные
виды бактерий найдены также
в почвах пустыни Сахара, в
грунте, взятом со дна океана
на глубине 4 км, и в нефти,
добытой из глубоко залегающих
нефтяных пластов. Бактерии способны
жить даже в воде горячих
источников с температурой около
80° С.
Благодаря ничтожным
размерам бактерии легко проникают
в трещины, щели, поры. Они очень
выносливы и приспособлены к
неблагоприятным условиям существования:
переносят высушивание, сильные
холода, нагревание до 80 — 90° С,
не теряя при этом жизнеспособности.
А споры бактерий выдерживают
даже кипячение.
Бактерии играют
важную роль в народном хозяйстве
и в быту человека. Велика их
роль в почвообразовательных
процессах. Бактерии нашли широкое
применение в растениеводстве
и животноводстве, в различных
отраслях пищевой промышленности.
Микробиология все шире внедряется
в текстильную и кожевенную
отрасли промышленности. Такие производства,
как мочка льна, обработка кожи,
не могут обойтись без использования
продуктов жизнедеятельности бактерий.
Необычайно велико
значение бактерий в патогенезе
заболеваний человека, животных
и растений.
Почвенные бактерии
оказывают большое влияние на
рост и развитие растений. Вокруг
корней и на корнях растений
развивается большое количество
различных видов бактерий, причем
не всех видов, а только определенных,
специфичных для каждого вида
растений. Эта микрофлора может
быть полезной или вредной
для растения в зависимости
от окружающей среды и состояния
самого растения.
В процессе
жизнедеятельности бактерии образуют
ряд соединений, которые широко
используются человеком: антибиотики,
аминокислоты, витамины, ферменты и
другие соединения. Много ценнейших
биологически активных веществ,
продуцируемых микроорганизмами, нам
пока неизвестно. С каждым годом список
этих соединений пополняется; мир микробов
— неисчерпаемый источник различных важных
веществ.
Громадное значение
имеет геологическая деятельность
бактерий. Бактерии принимают самое
активное участие в круговороте
веществ в природе. Все органические
соединения и значительная часть
неорганических подвергаются при
этом существенным изменениям. И
этот круговорот веществ является
основой существования жизни
на Земле.
Настоящий том
посвящен прокариотным организмам
(за исключением сине-зеленых
водорослей, которые будут описаны
в 3-м томе). Хотя раньше бактерии
относили к растительным организмам,
в настоящее время показано, что
бактерии как прокариоты составляют
особое царство живых существ,
отличное от царств растений
и животных. Следуя традиции, редакция
начинает издание «Жизнь растений»
с описания бактерий как низших
организмов — протоцитов. В первой
части раздела по бактериям
(введении) кратко излагаются основные
принципы классификации, строение
клеток и обмен веществ у
бактерий. Во второй части приводятся
сведения об основных систематических
группах бактерий. Заключают раздел
главы, описывающие экологию, физиологические
группы и биохимические особенности
бактерий.
Основные принципы
классиффикации бактерий и актиномицетов
Классификация
живых существ является одним
из наиболее трудных разделов
биологической науки. В ней,
как в фокусе, концентрируются
все наши познания об организмах.
Чем глубже и полнее наши
сведения об организмах, тем точнее
мы их классифицируем. С прогрессом
биологической науки совершенствуется
и классификация живых существ.
Систематика низших
организмов совершенствуется крайне
слабо. Объясняется это значительной
бедностью морфологических и
цитологических признаков у микробов,
а также трудностями в изучении
филогенеза этих существ.
В классификации
бактерий существуют два направления.
Первое — каталогизация форм
— производится на основе какого-либо
одного или нескольких признаков,
часто случайных, не связанных
между собой. Второе — это
построение системы на основе
филогенетических данных, полученных
путем комплексного, всестороннего
изучения организмов.
По мере изучения
биологии бактерий исследователи
начали применять для классификации,
помимо морфологических, многие
другие признаки: физио лого-биохимические,
цитологические, серологические, иммунологические
и др. В современных классификациях
авторы используют любой признак,
лишь бы он выделялся и давал
возможность распознать изучаемый
организм.
Специализация
биохимической деятельности микроорганизмов
побуждает некоторых исследователей
подразделять бактерии на отдельные
физиологические группы. Наиболее
ярко выражена такая группировка
в классификациях Орла-Иенсена
и Берги. Бактерии подразделяются
на основе их способности вызывать
заболевания у человека, животных
и растений; формируются особые
группы патогенных и фитопатогенных
форм только по одному этому
признаку.
Не удивительно,
что с каждым новым изданием
определителя микробов меняется
группировка микроорганизмов. Микроорганизмы
перемещаются из одной таксономической
группы в другую, причем перемещаются
не только отдельные виды, но
и роды и даже более высокие
систематические единицы. В одной
и той же группе организмы
распределяются то по морфологическим
признакам, то по физиологическим;
к одной и той же группе
относятся подвижные и неподвижные
формы, грамположительные и грамотрицательные
бактерии.
Невольно возникает
вопрос: возможна ли классификация
микробов не на формалистических
принципах, не в целях каталогизации
и диагностики, а на принципе
филогенетических взаимоотношений,
на основе родства изучаемых
организмов? Можно ли строить
филогенез бактерий подобно тому,
как это осуществляется в классификации
растительного мира?
Известно, что
за последние десятилетия в
области филогенетической систематики
растений достигнуты большие
успехи. Систематика растений строится
на основе комплексных исследований
различных дисциплин биологической
науки: морфологии, цитологии, генетики,
биохимии, серологии, геоботаники,
палеоботаники и др.
Особенности строения
бактерий не позволяют при
их изучении применять все
те методы, которые с успехом
используются в ботанике. Простота
строения бактерий, отсутствие типичного
ядра и других органоидов в
их клетках, а также полового
процесса исключают .возможность
использования цитоморфологического
метода в той степени, как
это имеет место в систематике
растений. Исключается здесь и
исторический метод. Нам почти
ничего не известно о далеком
прошлом бактерий. Имеющиеся указания
на окаменевшие остатки бактерий
малочисленны и немного дают
для разъяснения исторических
процессов эволюционного развития
этих организмов.
Бактерии широко
распространены в природе, характерной
их особенностью является космополитизм.
Имеющиеся данные о географическом
распределении и специфике бактерий
пока не дают возможности использовать
их в целях систематики.
Возможный и
желательный биохимический метод
систематики, к сожалению, применительно
к микробиологии остается пока
слабо разработанным. Однако некоторые
биохимические работы представляют
значительный интерес, так как
дают основания для подразделения
бактерий на группы и виды.
Современные классификации
и схемы филогенеза организмов,
несмотря на их умозрительность,
побуждают исследователей по-новому
относиться к накопленному экспериментальному
материалу и систематизировать
его с определенных позиций,
а не по случайным признакам.
Быстрое размножение
и развитие бактерий на питательных
средах дают возможность проводить
широкие эксперименты и получать
результаты в короткий срок. Особенно
это важно при массовом анализе
большого числа поколений микроорганизмов.
Как бы ни были скудны морфологические
признаки у бактерий и лучистых
грибков, все же в своей совокупности
и при сравнительном анализе
они с успехом используются
в микробиологии для установления
родства микроорганизмов.
Следует подчеркнуть,
что один и тот же внешний
морфологический признак микробов
может иметь разное значение.
Например, существенный для микобактерий
признак ветвления клеток вовсе
не характерен для таких истинных
бактерий, как уксуснокислые бактерии,
азотобактер и др. У микобактерий
ветвление — нормальный формообразовательный
процесс; у бактерий ветвление
— патологический процесс, наблюдаемый
при дегенеративном перерождении,
ветвящиеся клетки у этих бактерий
представляют инволюционные, отмирающие
формы.
Наиболее приемлемый
метод для выявления родства
микробов — метод экспериментальной
изменчивости. С помощью этого
метода удалось выявить родство
у некоторых бактерий и микобактерий,
установить близость микококков
с микобактериями, микобактерий
с проактиномицетами. а проактиномицетов
с актиномицетами.
Культуры актиномицетов
и бактерий при длительном
нахождении в субстратах, в которых
имеется какой-либо искусственный
источник питания, например сахар
мальтоза, образуют штаммы, сбраживающие
мальтозу. У сбраживающего мальтозу
вида микроба появляется фермент,
расщепляющий мальтозу. При истощении
субстрата этот фермент утрачивается.