Тема 5. «Систематика прокаріот. Характеристика основних груп мікроорганізмів»

Систематика (таксономія) — наука про різноманіття й взаємозв'язки між організмами. Одна із завдань систематики — розподіл (класифікація) безлічі організмів по групах (таксонам)'. Але перш ніж здійснювати таке рас прерозподіл, необхідно досить повно охарактеризувати об'єкти й на підставі відібраної інформації ідентифікувати їх. Останнє може привести до виявлення організмів з невідомими або відомими ознаками й відповідно приміщенню їх у новий таксон на певному рівні або ж віднесенню до відомих таксонів.

Для характеристики організмів використовують різноманітні ознаки: морфологічні, цитологічні, культуральні, фізіологічні, біохімічні, імунологічні й ін. Якщо обсяг інформації для характеристики об'єктів по суті безмежний, як нескінченний сам процес пізнання природи, то для цілей ідентифікації може бути використаний обмежений обсяг інформації, достатній для поділу організмів по таксономічних групах.

Спеціальний розділ таксономії — номенклатура — має справу із правидими присвоєння найменувань описаним об'єктам. У систематику бактерій для найменування об'єкта використовують біноміальну номенклатуру К.Лінея (1707—1778), згідно з якою біологічному виду привласнюють назва, що полягає із двох слів: перше визначає приналежність організму до певного роду, друге — виду. Назви бактеріям привласнюють відповідно до правил Міжнародного кодексу номенклатури бактерій.

Основною таксономічною категорією є вид. По сучасних уявленнях, вид — це група близьких між собою організмів, що мають загальний корінь походження й на даному етапі еволюції, що характеризуються певними морфологічними, біохімічними й фізіологічними ознаками, відособлених добором від інших видів і пристосованих до певного середовища проживання.

Важливою ознакою, що визначають приналежність організмів до одному виду, є їхня здатність схрещуватися й давати життєздатне потомство. Однак у прокаріот розмноження статевим шляхом відсутнє, тому даний ознака для визначення видової приналежності до них не застосуємо. Віднесення прокаріотних організмів до одному або різним видам здійснюється у великому ступені емпіричним шляхом на основі аналізу багатьох ознак, при цьому генетична інформація, що втримується в нехромосомних генетичних елементах, для визначення видової приналежності не використовується.

Види поєднують у таксони більш високого порядку — роди, роди — у сімейства, далі випливають порядки, класи, відділи, царства. Для вищих таксономічних категорій поки немає задовільного визначення.

У мікробіології вживаються такі терміни, як «штам» і «клон». Під штамом розуміють бактеріальні культури одного виду, виділені, наприклад, з різних місць проживання. Відмінності між штамами не виходять за межі виду. Клон — ще більш вузьке поняття, це культура, виділена з однієї клітини.

Існують 2 типу систематики біологічних об'єктів: філогенетична, або природня, в основі якої лежить установлення родинних (генетичних, еволюційних) зв'язків між організмами, і практична, або штучна, ціль якої — виявлення ступеня подібності між організмами для швидкої їхньої ідентифікації й установлення приналежності до певних таксонів. Якщо існуюча систематика вищих організмів відбиває в певній мері еволюційні зв'язки між ними, тобто ознаки, використовувані для виявлення ступеня подібності, відбивають і ступінь споріднення між цими організмами, то спроба створення на цій же основі систематики прокаріот не була успішною.

Проблеми систематики прокаріот

В XX ст. проблема систематики бактерій стала настійною у зв'язку з, що стрімко збільшувалися як ушир (опис нових видів), так і вглиб (більш детальне різнобічне вивчення вже описаних видів) обсягом знань про ці організми.

Хронологічно першими були спроби використовувати накопичені відомості про фенотипових ознаках бактерій для побудови традиційної системи у вигляді якогось «генеалогічного древа». В основу створення системи був покладений і традиційний принцип. Усі використовувані ознаки подумки розподіляли по ступеню їх значимості, результатом чого було суб'єктивне (засноване тільки на досвіді й інтуїції дослідника) створення ієрархічної системи ознак. Потім залежно від важливості ознак об'єкти розбивали на таксономічні групи. Тому, у якій послідовності при класифікації враховуються ознаки, залежить шлях, по якім здійснюють поділ мікроорганізмів і в остаточному підсумку отримані таксономічні групи. Легко бачити, що структура ієрархічної системи визначається порядком, у якім розташовуються ознаки, а останній вибирається довільно.

Спочатку основна увага приділяли морфологічним ознакам бактерій. Так, в 1872 г. Ф.Кін (1828—1898) розділив бактерії на групи по морфологічних ознаках: коки, короткі палички, подовжені палички, спіралі. Однак незабаром стало ясно, що морфологічні ознаки недостатні для задовільного поділу бактерій по таксономічних групам. Для цієї мети стали залучати фізіологічні ознаки. В 1909 р. С. Орлайенсен зробив спробу класифікувати бактерії на основі відомих на той час фізіологічних ознак.

Важливим кроком у розвитку систематики прокаріот з'явилося використання ознак, що дають інформацію про хімічну будову клітини: склад підстав ДНК, ДНК-ДНК- і ДНК— РНК-гомології, амінокислотна послідовність білків, будова рибосом, компонентів клітинної стінки і т.д.

Перші запропоновані схеми класифікації бактерій були вкрай суб'єктивні. Це привело групу систематиків бактерій до використання іншого підходу для визначення ступеня подібності між прокаріотами — нумеричної систематики. В основі її лежать ідеї, сформульовані в середині XVIII в. французьким ботаніком М.Адансоном (1727—1806): усі ознаки об'єкта вважаються рівноцінними; при описі досліджуваного об'єкта використовується максимальна кількість ознак, які можуть бути вивчені й визначені; ступінь подібності встановлюється на підставі кількості співпадаючих ознак і виражається у вигляді коефіцієнта подібності. Останній для двох порівнюваних штамів одержують шляхом визначення відносини числа однакових ознак до загального числа вивчених ознак. Значення коефіцієнта подібності змінюється в діапазоні від 1 (повна ідентичність) до 0 (розбіжність по жодному вивченій ознаці).

Класифікація, побудована на принципах М.Адансона, — трудомісткий процес, тому свій розвиток і практичний застосування вона одержала лише останнім часом у зв'язку з успіхами в області обчислювальної техніки. Переваги її складаються у формальнім усуненні елемента суб'єктивності, оскільки всі ознаки об'єкта ухвалюються рівноцінними. Однак очевидні і її слабкі сторони. Як правило, для оцінки подібності прокаріот використовують порядку 100 ознак, що становить приблизно 10% від кількості ознак, що визначають бактеріальний фенотип. Отже, ураховується тільки незначна частина ознак класифікуємого об'єкта.

Крім того, оскільки обсяг інформації постійно зростає, значення коефіцієнта подібності може мінятися убік збільшення (при виявленні нових однакових ознак) або зменшення (при збільшенні числа незбіжних ознак). Нумерична таксономія може бути корисна при оцінці ступеня подібності між таксонами невисокого рангу (види, роди), але прямого відношення до створення філогенетичної системи прокаріот не має.

Найбільше повно завдання швидкої ідентифікації прокаріотних організмів вирішується за допомогою Визначника бактерій Бергі, що випускається періодично Суспільством американських бактеріологів із залученням великих фахівців в області вивчення тих або інших груп бактерій. Перше видання Визначника було випущено в 1923 р. групою американських бактеріологів під керівництвом Д.Х.Бергі (1860—1937); дев'яте видання в 4 томах вийшло в 1984—1989 рр.

У дев'ятім виданні Визначника бактерій Бергі всі виявлені організми, віднесені в царство Prokaryotae, розділені на 33 групи. Ознаки, по яких здійснюється поділ на групи, як правило, належать до категорії легко обумовлених і винесені в назви груп, наприклад: грамнегативні аеробні палички й коки (група 4), анаеробні грамнегативні коки (група 8), грампозитивні палички й коки, що утворюють ендоспори (група 13) бактерії, що сковзають, утворюють плодові тіла (група 24). Основна ідея класифікації «по Бергі» — легкість ідентифікації бактерій. Для здійснення цього використовують сукупність ознак: морфологічних (форма тіла; наявність або відсутність джгутиків; капсули; здатність до спороутворення; особливості внутрішньоклітинної будови; фарбування по Граму), культуральних (ознаки, що виявляються при культивуванні в лабораторії чистої культури), фізіолого-біохімічних (способи одержання енергії; потреби в живильних речовинах; відношення до факторів зовнішнього середовища; нуклеотидний склад і послідовність нуклеотидів у молекулі ДНК; наявність і характер мінорних підстав у ДНК; нуклеотидній склад рибосомальної РНК; послідовність амінокислот у ферментних білках з аналогічними функціями).

Для дев'ятого видання Визначника бактерій Бергі характерна відмова від побудови класичної ієрархічної системи класифікації. Вона замінена списком згаданих вище груп і збереглася тільки фрагментами. Коротка характеристика цих груп дана в наступному розділі. Цінність Визначника в тому, що він являє собою найбільш повне зведення відомих бактеріальних форм і найсучасніший посібник для ідентифікації бактерій.

У цьому ж керівництві запропонована схема поділу царства Prokaryotae на вищі таксони (відділи, класи). В основу поділу на відділи покладена будова клітинної стінки. Представлена у Визначнику бактерій Бергі система класифікації є строго ідентифікаційною й не вирішує завдання виявлення еволюційних зв'язків між прокаріотами. У той же час кінцевою метою є побудова такої системи, в основі якої лежали б родинні зв'язки між прокаріотними організмами. Перша спроба в цьому напрямку належить С. Орлайенсену, що запропонував філогенетичну систему бактерій, засновану на фізіологічних ознаках.

С. Орлайенсен виходив при цьому із припущення, що, оскільки на первісній Землі була відсутнє органічна речовина, перші бактерії повинні були бути автотрофами. У якості самих примітивних бактерій він розглядав аеробні бактерії, що окиснюють метан. Пізніше такі спроби вживали найбільшими мікробіологами А. Клюйвером, К. ван Нілем, Р. Стейнером.

Важливий крок на шляху створення природної систематики прокаріот пов'язаний з успіхами молекулярної біології. В 60-х рр. XX в. було встановлено, що всі властивості організму визначаються унікальними хімічними молекулами — ДНК, тому бактерії можуть бути класифіковані шляхом порівняння їх геномів. За такою ознакою, як генетичний матеріал, виявилося можливим на підставі виявлення ступені подібності робити висновки про ступені споріднення між організмами. Спочатку для таксономічних цілей порівнювали молярний зміст суми гуаніну й цитозина (ГЦ) у відсотках від загальної кількості підстав ДНК у різних об'єктів. Цей показник у прокаріот коливається від 25 до 75 %. Однак ГЦ-показник дає можливість тільки для грубого порівняння геномів. Якщо організми мають однаковий нуклеотидний склад ДНК, можливо й подібність і відмінність між ними, оскільки генетичне кодування засноване не тільки на певному змісті підстав в одиниці кодування (триплеті), але й на їхньому взаємнім розташуванні.

Більш тонкий метод оцінки генетичної подібності організмів — порівняння нуклеотидних послідовностей ДНК із різних джерел методом ДНК-ДНК-гібридизації. Метод найбільш корисний для класифікації на рівні виду, тобто у випадку високого ступеня гомології, і мало інформативний для класифікації об'єктів на рівні високих таксонів. У той же час часта розбіжність висновків, зроблених на підставі фенотипових ознак і ДНК-гібридизації. У цілому значення даних про будову ДНК для систематики прокаріот величезне, тому що дозволяє перейти від установлення ступеня подібності до висновків про ступінь споріднення між організмами.

Крім аналізу молекул ДНК для встановлення ступеня споріднення між прокаріотними організмами розроблені методичні підходи, що дозволяють порівнювати продукти окремих генів, що виконують у клітині однакові функції. Це можуть бути білки (фередоксини, цитохроми й ін.) або рРНК. З використанням останніх у якості філогенетичних маркерів зв'язане велике відкриття, що дозволяє по-новому глянути на систему живого світу.

Вибір рРНК для вирішення проблем еволюційної систематики прокаріот виявився вдалим з ряду причин: ці молекули виявлені у всіх клітинних форм життя, що вказує на їхнє найдавніше походження; їхні функції завжди однакові; первинна структура в цілому характеризується високою консервативністю. Особливістю рРНК є знаходження поза сферою дії добору, тому дані молекули еволюціонують у результаті спонтанних мутацій, що відбуваються з постійною швидкістю, і нагромадження таких мутацій залежить тільки від часу. Таким чином, заходом еволюційної відстані між організмами служить кількість нуклеотидних замін у молекулах порівнюваних рРНК.

Відомо, що в рибосомах прокаріот і еукаріот присутні 3 типу рРНК, що різняться молекулярною масою й коефіцієнтом седиментації. Інформаційна ємність великих молекул більше, але їх сутужніше аналізувати. Тому найбільш зручним виявився аналіз молекул рРНК середньої величини: 16S (у прокаріот) і 18S (в еукаріот), що складаються із 1600 і 2500 нуклеотидів відповідно. До теперішнього часу послідовності 16S і 18S-рРНК вивчені більш ніж в 400 організмів, що належать до різних царств живої природи. На підставі отриманих даних розраховані коефіцієнти подібності порівнюваних організмів, що привело до несподіваних результатів: виявлені не дві групи організмів, що різняться прокаріотним і еукаріотним типом клітинної організації, а три. Одну утворюють усі еукаріоти: вищі рослини, тварини, дріжджі, водорості й т.п. У цю групу не ввійшли органели еукаріот (мітохондрії, хлоропласт). Таким чином, перша група представлена ядерно-цитоплазматичним компонентом еукаріотних клітин. До другої групи, що одержала назва дійсних бактерій, або еубактерій, ставиться переважна більшість прокаріот. Сюди ж потрапілі на підставі ступеня гомології 16S рРНК мітохондрії й хлоропласти еукаріотних клітин. Нарешті, у третю групу ввійшли деякі маловивчені прокаріоти, що живуть в екстремальних умовах: метаноутворюючі бактерії, екстремальні галофили й термоацидофили. Ця група організмів одержала назву архебактерій.

Хоча клітини архебактерій структурно відносяться до прокаріотному типу, вони побудовані з макромолекул (ліпідів, полісахаридів, білків), багато з яких є унікальними й не синтезуються ні еукаріотами, ні еубактеріями. Архебактерій здійснюють ряд біохімічних процесів, не властивих іншим живим організмам. На підставі цього був зроблений висновок, що архебактерій, очевидно, являють собою одну із самих прадавніх груп живих істот.

Виявлення в надрах світу прокаріот групи архебактерій поставило заново питання про шляхи клітинної еволюції з моменту виникнення якоїсь гіпотетичної первинної клітини.

Традиційна загальна схема клітинної еволюції ґрунтується на наступних припущеннях: з популяції первинних клітин у результаті цілого ряду подій, що привели до підвищення рівня клітинної організації, під тиском природного добору виникла популяція нащадкових прокаріотних клітин, з яких в остаточному підсумку відбулися різні групи прокаріот. Малоймовірно, щоб нащадкові прокаріотні клітини всі були «на одну особу». Єдина їхня загальна риса — прокаріотна організація.

Еукаріотна клітина виникла в результаті ендосимбіозу, у якім ядерно-цитоплазматичним компонентом, тобто клітиною-хазяїном, ендосимбіонтами, що перетворилися згодом у мітохондрії й хлоропласти, були, що суттєво різняться між собою прокаріотні клітини. Наслідком такого погляду на загальний хід еволюції з'явилося визнання двох основних царств живих організмів — Prokaruotae та Eykaryotae.

Нова схема клітинної еволюції виходить із визнання існуючих трьох типів, що фундаментально різняться, живих організмів: еубактерій, архебактерій і еукаріот. Згідно із цією схемою від загального гіпотетичного предка, що одержав назву «пронгенота», еволюціонували три різні галузі прокаріот: еубактерій, архебактерій і уркаріоти. Уркаріоти представлені ядерно-цитоплазматичним компонентом еукаріотної клітини, що включили в себе в якості ендосимбіонтів представників різних груп еубактерій, що перетворилися в мітохондрії й хлоропласти.

Із цілого ряду властивостей на молекулярному рівні, і насамперед по аналізі 16—18S-рРНК, виявлені три групи живих організмів значно різняться між собою, що привело дослідників до висновку про приблизно однакове «еволюційне» відстань між ними. На підставі аналізу 16S-рРНК зроблені також перші спроби з'ясувати філогенетичні взаємини в групі еубактерій. Усі вивчені еубактерії відповідно до обчислених коефіцієнтів подібності виявилися розподіленими на 10 еволюційних галузей. Найбільш несподіваний результат — виявлення фотосинтезуючих еубактерій в 5 галузях з 10, що дозволяє зробити висновок про більше їхнє споріднення з певними нефотосинтезуючими еубактеріями, ніж між собою. Це дозволяє по-новому підходити уводити, увести до ладу проблемі походження різних видів фотосинтезу й фотосинтезуючих еубактерій.

Отже, у цей час відсутня скільки-небудь деталізована еволюційна система прокаріот. Усі описані вище спроби підійти до її створення дозволяють зробити висновок про те, що рішення цієї проблеми — справа неблизького майбутнього. Особливості прокаріот в області морфологічної, фізіолого-біохімічної, генетичної організації говорять про незастосовність до них добре розроблених принципів, використовуваних при побудуванні системи вищих організмів. Це, природно, значно ускладнює завдання, але не робить її безнадійною. Уже зараз у світі прокаріот для найбільш вивченої частини цих організмів — еубактерій — можна простежити основні напрямки еволюційного розвитку. Одна з багатообіцяючих ідей полягає в тому, що в основі прогресивної еволюції еубактерій лежить удосконалювання способів одержання ними енергії.

Групи прокаріотних організмів

У дев'ятім виданні Визначника бактерій Бергі всі прокаріоти розподілені по групах, що не мають таксономічного статусу.

Група 1. Спірохети. Включає порядок Spirochaetales. Тонкі спіралевидні одноклітинні форми, що володіють своєрідною морфологією й способом руху. Довжина клітин коливається від 5 до 250 мкм. Схильні до утвору аномальних форм (гранул, цист). Розмножуються поперечним поділом. Клітини складаються із протоплазмового циліндра, аксіальної нитки й зовнішньої оболонки. Оболонка тонка й еластична, що й забезпечує спірохетам своєрідний спосіб пересування. Грамнегативні. Представники цієї групи по-різному відносяться до кисню. Є серед них облігатно-аеробні, факультативно й облігатно анаеробні форми. Хемоорганогетеротрофи, що суттєво різняться по ступеню вимогливості до субстрату. Серед них є вільноживучі форми, основне місце проживання яких — прісні й солоні озера; коменсали, що живуть у шлунково-кишковому тракті прісноводних і морських молюсків, і паразити. Деякі види патогенні: Treponema pallidum — збудник сифілісу, Borrelia recurrentis — збудник поворотного тифу.

Група 2. Аеробні, рухливі спіралевидні або вигнуті грамнегативні бактерії. Прокаріоти, що входять у цю групу, мають тверду клітинну стінку, так що клітина свою форму не міняє. Рух здійснюється за допомогою одного або безлічі полярно розташованих джгутиків. Хемоорганогетеротрофи, що суттєво різняться потребами в живильних речовинах. Деякі види можуть рости на простому синтетичному середовищі, для росту інших необхідні складні середовища. До роду Spirillum відносяться в основному сапрофіти, що живуть у стоячих і забруднених водах, на гниючих рослинних і тваринних залишках. Ряд вільноживучих форм — мешканці морських вод. Є серед них і паразити. Деякі види патогенні. До цієї ж групи віднесений рід Bdellovibrio. Виявлений в 1963 р. прокаріотний організм, названий Bdellovibrio bacteriovorus, викликав величезний інтерес, тому що може паразитувати усередині клітин інших бактерій. В. bacteriovorus — дрібна, злегка вигнута паличка з одним полярно розташованим джгутиком. Останній трохи товстіше звичайних бактеріальних джгутиків.

Усередині виду виявлені штами, що існують тільки у клітинах інших бактерій, тобто облигатні паразити. Останні можуть бути отримані в лабораторних умовах із природних штамів, ведучих паразитичний спосіб життя. Недавно описані види, що є факультативними паразитами, тобто здатні існувати як усередині бактеріальної клітини хазяїна, так і сапрофітно на живильній складного середовищі складу.

Особливий інтерес представляє здатність Bdellovibrio паразитувати усередині клітин інших бактерій. Спектр бактерій, що дивуються, дуже широкий: це різні види грампозитивних і грамнегативних еубактерій. Bdellovibrio мають здатність переміщатися за допомогою свого розвиненого джгутика значно швидше багатьох інших бактерій. Це дає їм можливість активно шукати й знаходити клітини хазяїна. Наздогнавши бактсріальну клітину, Bdellovibrio міцно до неї прикріплюється, пробуравлює клітинну стінку, проникає в простір між клітинною стінкою й ЦПМ і починає там розмножуватися. Як правило, у клітину проникають відразу трохи бактерій, тому цілісність клітинної стінки порушується в декількох місцях. Кількість клітин-паразитів, що утворювалися в клітині-хазяїні, може досягати 20—50 залежно від розмірів хазяїна. Клітина-хазяїн нагадує в таких випадках «мішок», набитий Bdellovibrio. Цикл внутрішньоклітинного розвитку В. bacteriovorus триває 3—5 год, після чого паразити звільняються зі зруйнованих ними клітин-хазяїв. Частина клітин Bdellovibrio переходить у спочиваючий стан, формуючи цисти. У підходящих умовах (коли багато бактеріальних клітин) цисти швидко проростають. Бактерії роду Bdellovibrio широко поширені в природі. Вони живуть у ґрунті, морських і прісних водах. Їх використовують для боротьби зі збудниками епідемічних захворювань, наприклад холери.

Група 3. Нерухливі грамнегативні вигнуті бактерії. Включає сімейство Spiromonaceae, що поєднує облігатно аеробні форми з характерною клітинною морфологією: від прямих паличок до кілець, не повністю або повністю закручених; при цьому в культурі одночасно можуть бути присутнім клітини різної форми.

Група 4. Грамнегативні аеробні палички й коки. Група представлено 8 сімействами. До сімейства Pseudomonadaceae відносяться одиночні прямі або злегка вигнуті рухливі палички. Рух здійснюється за допомогою полярно розташованих джгутиків. Типові представники сімейства об'єднані в рід Pseudomonas. Це в основному облігатно аеробні хемоорганогетеротрофи, що споживають широкий набір органічних сполук. Деякі представники роду можуть одержувати енергію також за рахунок окиснення молекулярного водню або окиси вуглецю, тобто є факультативними хемолітогетеротрофами. Описані види, що використовують у якості кінцевого акцептора електронів нітрати, тобто здатні існувати факультативно аеробно.

Представники роду Pseudomonas повсюдно поширені в природі. Вони постійні мешканці повітря, ґрунтів, морських і прісних вод, намулів, стічних вод, де їм належить активна роль у мінералізації органічних речовин. Багато видів утворюють водорозчинні й флюоресцуючі пігменти. Останні залучили до себе увагу у зв'язку з тим, що з них виділили речовини, що володіють антибіотичною активністю проти грибів, дріжджів, грампозитивних і грамнегативних еубактерій. Ряд видів Pseudomonas використовують у мікробіологічній промисловості для одержання різних органічних сполук: кислот (виноградної, глюконової, α-кетоглутарової), амінокислот (глутамінової, аспарагінової, валінової й ін.), ферментів (аспарагінази, пероксидази). Деякі види викликають захворювання рослин і тварин.

Сімейство Azotobacteraceae поєднує види, що мають великі клітини, схильні до зміни морфології залежно від віку культури й умов культивування. Серед представників цього сімейства зустрічаються рухливі й нерухливі форми. Бактерії роду Azotobacter утворюють цисти. Хемоорганогетеротрофи. Здатні активно фіксувати молекулярний азот. Облігатні аероби. Живуть у ґрунті, воді й на поверхні рослин. Азотобактер — перший аеробний мікроорганізм, для якого була показана здатність фіксувати молекулярний азот. До складу сімейства Rhizobiaceae входять види, у багатьох відносинах подібні з такими сімейства Pseudomonadaceae, але, що відрізняються від них плеоморфізмом, а також здатністю викликати розростання тканин, що приводить до утвору клубеньків і галлів на коріннях або стеблах різних видів рослин. У рід Rhizobium (клубенькові бактерії) об'єднані бактерії, що викликають утворення клубеньків на коріннях бобових рослин і здатні фіксувати азот в умовах симбіозу з ними.

Клубенькові бактерії проникають через кореневі волоски в кореневу систему рослини й стимулюють поділ тетраплоїдних клітин кореня, що приводить до утворення клубенька. У ньому відбувається інтенсивне розмноження бактерій. У молодих клубеньків більшість бактеріальних клітин мають форму паличок. У процесі наступного розвитку спостерігається утворення клітин неправильної форми (бактероїдів), у яких і відбувається активна фіксація N₂. Бактеріоди можна розглядати як диференційовані форми, пристосовані для найкращого здійснення певної функції. У першу чергу це пов'язане з контролюванням входження в бактероїди молекулярного кисню, яке здійснюється за допомогою клубенькового метгемоглобіна, цитоплазматичного гемопротеїну, у синтезі якого беруть участь рослина й бактерії. Апо-гемоглобін (білок без гема) синтезує рослина. За синтез гема відповідальні бактероїди. Метгемоглобін, що володіє, як і гемоглобін, високою спорідненістю до HNO₂, забезпечує перенос кисню до бактероїдів у кількості, необхідному для забезпечення їх енергією, і в той же час захищає бактероїди від надлишку О₂ шляхом його зв'язування. До фіксації N₂ здатні тільки клубеньки, що містять метгемоглобін.

Відносини між клубеньковими бактеріями й бобовими рослинами можна визначити як мутуалізм, тобто такий вид симбіозу, при якім обоє симбіонта покористуються зі співжиття: рослина одержує азот, клубенькові бактерії —азотовмісні речовини й мінеральні солі. Показана здатність різних видів клубенькових бактерій фіксувати N₂ без якого-небудь зв'язку з рослинними клітинами. Для цього необхідно забезпечити клубенькові бактерії підходящими джерелами вуглецю (переважно пентозами), мінімальною кількістю фіксованого азоту й проміжними з'єднаннями ЦТК. Вільноживучі клубенькові бактерії синтезують свій власний гемоглобін, що відрізняється структурно, але не функціонально від метгемоглобіна.

Усі бактерії, що належать до роду Аlbаепит викликають тканинні розростання на стеблах різних рослин, на підставі чого вони можуть розглядатися як внутрішньоклітинні паразити. Бактерії проникають у тканину рослини-хазяїна, використовуючи для цього ушкодження на його поверхні.

Група 5. Факультативно анаеробні грамнегативні палички. Поєднує 3 сімейства: зокрема Enterobacteriaсеае. До складу першого сімейства входять рухливі або нерухливі безспорові палички. Деякі види утворюють капсули. Хемоорганогетеротрофи. Окремі представники характеризуються високими харчовими потребами. Энергію одержують за рахунок дихання або бродіння. Представники цього сімейства широко поширені в природі. Серед них багато патогенних і сапрофітних видів. Це мешканці ґрунтів, морських і прісних вод, що розкладають залишків тварин і рослин, постійні мешканці кишечнику людину й багатьох видів тварин, птахів, риб, рептилій. Найбільш вивчений представник сімейства — Escherichia coli. Ця бактерія завжди втримується в кишечнику людини й тварин, тому про забруднення води й харчових продуктів судять по наявності в них Е. coli. Е coli відноситься до числа умовно патогенних бактерій, тобто є постійним компонентом мікрофлори кишечнику людину, але при ослабленні захисних функцій організму може проникати в інші органі й викликати сильні запальні процеси. До збудників важких захворювань людину належать бактерії з родів Salmonella і Shigella. Salmonella typhi — збудник черевного тифу; різні види Shigella — збудники так званої бактеріальної дизентерії.

Група 6. Анаеробні грамнегативні прямі, вигнуті або спіралевидні палички. Основна таксономічна одиниця групи — сімейство Bacteroidaceae. Це палички правильної форми або схильні до плеоморфізму, безспорові, нерухливі або рухливі. Облигатні анаероби. Хемоорганогетеротрофи. При зброджуванні глюкози утворюють суміш кислот. Основне місце проживання — кишечник людини й тварин, травний тракт комах. Деякі види патогенні й викликають різні виразки шкірних покривів, а також інших органів і тканин тіла.

Група 7. Бактерії, що характеризуються дисиміляційним відновленням сірки або сульфату. У складі групи еубактерій з різною морфологією й наступними однаковими властивостями: грамнегативні строгі анаероби, що використовують у якості акцептора електронів молекулярну сірку або її окиснені з'єднання, які відновлюються при цьому до H₂S. Деякі види здатні до бродіння. Є серед них азотфіксатори.

Група 8. Анаеробні грамнегативні коки. Представлено одним сімейством Veillonellaceae. Коки, як правило, з'єднані попарно, але можуть утворювати ланцюжки або скупчення клітин. Хемоорганогетеротрофи з високими потребами в живильних речовинах. У цю групу входять тільки паразити теплокровних тварин: мешканці травного факту, ротової порожнини й дихальних шляхів людину й тварин.

Група 9. Рикетсії й хламідії. До складу групи включено два порядки: Rickettsiales і Chlamydiales. Перший поєднує бактерії, що характеризуються в більшості випадків сукупністю наступних ознак: плеоморфні, нерухливі, грамнегативні, з типовими для еубактерій клітинними стінками, що розмножуються розподілом всередині клітин-хазяїв; культивувати можна на спеціальних середовищах, що містять живі тканини, або курячі ембріони або культури клітин хребетних. Однак перераховані вище ознаки властиві не всім представникам цього порядку. Серед рикетсій є рухливі види, що фарбуються позитивно по Граму, а також види, які можна вирощувати на відносно простих штучних живильних. середовищах Різні взаємини між рикетсіями й організмами-хазяями. Крім паразитизму ці відносини в деяких випадках можна визначити навіть як мутуалістичні. Серед рикетсій-паразитів більша частина ставиться до непатогенних і тільки менша викликає захворювання людини, хребетних і безхребетних тварин (так звані рикетсіози). Успіхи останнього часу, пов'язані з вивченням рикетсій, дозволили багато чого зрозуміти в біології цих організмів, але багато чого ще залишається не з'ясованим. Усі досліджені рикетсії мають певну активність енергетичних і біосинтетичних процесів. У них знайдена цитохромна система й показане запасання енергії, що звільняється в процесі дихання, у вигляді АТФ. Рикетсії можуть здійснювати деякі біосинтетичні процеси, наприклад біосинтез білка й ліпідів.

Порядок Chlamydiales включає одне сімейство Chlamydiaceae і один рід Chlamydia. Хламідії — облігатні внутрішньоклітинні паразити хребетних і людини, що характеризуються складним циклом розвитку. Можуть розмножуватися тільки в цитоплазмі клітин. Поза клітинами їх культивувати поки не вдається.

Облігатний внутрішньоклітинний паразитизм хламідії наклав специфічний відбиток на їх метаболізм. Насамперед це торкнулося їхнього енергетичного метаболізму. Володіючи здатністю здійснювати певні реакції окисного характеру (наприклад, при додаванні необхідних кофакторів окиснити глюкозу, піровиноградну й глутамінову кислоти), хламідії не можуть синтезувати високоенергетичні з'єднання, і в першу чергу АТФ, тому вони одержали назву «енергетичних паразитів». Хламідії паразитують в організмі різних хребетних (птахів, людину й інших ссавців), викликають у людини ряд захворювань, наприклад трахому й запалення дихальних органів.

Група 10. Мікоплазми. До них відносяться форми, у яких відсутня клітинна стінка. Таксономічна значимість цієї ознаки дозволила всі прокаріоти, що не мають клітинної стінки, виділити в групу, привласнивши їй ранг відділу. У дев'ятім виданні Визначника бактерій Бергі мікоплазми віднесені до відділу Tcnericutes, класу Mollicutes, порядку Mycoplasmatales.

Відсутність ригідної клітинної стінки спричинила ряд морфологічних, культуральних, цитологічних особливостей властивих цим мікроорганізмам. Для них характерний яскраво виражений поліморфізм. У культурі одного виду можна одночасно виявити великі кулясті тіла, дрібні зерна, клітини еліпсовидної, дископодібної, паличкоподібної й ниткоподібної форми. Останні можуть гілкуватися, утворюючи структури, подібні міцеліальним. Для мікоплазм описані різні способи розмноження: бінарний поділ, фрагментація великих тіл і ниток, процес, подібний із брунькуванням.

У культурах мікоплазм виявлені форми з найменшими із усіх відомих клітинних мікроорганізмів розмірами. Тому, імовірно, саме мікоплазми можна вважати найбільш простими системами, що самостійно відтворюються. По проведених підрахунках теоретично найменша структурна одиниця, здатна до самостійного відтворення на штучнім середовищі, не може мати розміри менше, чим сферичне тіло діаметром 0,15—0,20 мкм або нитка довжиною приблизно 13 мкм і діаметром приблизно 20 нм. Усі ці структури зустрічаються в культурах мікоплазм і, імовірно, можуть розглядатися як життєздатні форми, що репродукуються. За обсягом генетичної інформації, що втримується в геномі, мікоплазми займають проміжне положення між Е. coli і фагами.

Відсутність клітинної стінки привела до розвитку в мікоплазм більш стабільної й еластичної ЦПМ у порівнянні зі ЦПМ бактеріальних протопластів. Важлива роль у забезпеченні цих властивостей належить, очевидно, холестерину — основному компоненту мембранних ліпідів паразитичних мікоплазм. Більша частина відомих мікоплазм для росту потребує екзогенного холестерину й інших стеринах. Відносно недавно були виявлені види, що не вимагають для росту екзогенних стеринів. Ця відмінність покладена в основу поділу порядку Mycoplasmatales на сімейства Mycoplasmataceae і Spiroplasmataceae, у яких об'єднані стеринзалежні мікоплазми, і Acholeplasmataceae, куди ввійшли види, що не вимагають для росту екзогенних стеринів. Відсутність клітинної стінки обумовлює ще одну відмінну рису мікоплазм — їх нечутливість до антибіотиків, що специфічно діють на еубактеріальну клітинну стінку, і в першу чергу до пеніциліну і його аналогам.

Мікоплазми (особливо після виявлення нових вільноживучих видів) являють собою групу, надзвичайно різноманітну з погляду фізіолого-біохімічних особливостей. Ці прокаріоти можуть рости на штучних середовищах різного ступеня складності (від простих мінеральних середовищ до складних органічних) або тільки усередині організму хазяїна, із чого можна укласти, що діапазон їх біосинтетичних здатностей досить широкий. Різноманітні й способи одержання мікоплазмами енергії. Серед них описані види, що одержують енергію за рахунок окиснення або збродження органічних сполук (моно- і полісахаридів), а також, можливо, окиснення неорганічних сполук заліза. Описані мікоплазми, що є строгими аеробами й облігатними анаеробами.

Якщо раніше вважали, що мікоплазми — в основному форми, що паразитують на людині й вищих тварин, то тепер уявлення про способи існування й поширення цієї групи прокаріот у природі значно розширене. Мікоплазми знаходять у ґрунті й стічних водах, вони виділені з кам'яного вугілля й гарячих джерел. Крім вільноживучих форм, здатних рости як на чисто мінеральних середовищах, так і сапрофітних, описані мікоплазми, що існують у різних симбіотичних асоціаціях з бактеріями, нижчими грибами, рослинами, птахами, вищими тваринами й людиною. Форми симбіозу також різноманітні. Іноді це, імовірно, коменсалізм, у більшості випадків — типовий паразитизм. Багато паразитичних форм мікоплазм патогенні. Вони є збудниками захворювань рослин, тварин і людини, наприклад, М. pneumoniae — збудник гострих респіраторних захворювань і пневмоній у людини.

Представники сімейства Mycoplasmaiaceae — хемоорганогетеротрофи, що характеризуються високими потребами в живильних речовинах. Енергетичний метаболізм ферментативного або окисного типу. Використання глюкози відбувається по гліколітичному шляху. У мікоплазм, що здійснюють повне окиснення енергетичного субстрату, виявлений функціонуючий ЦТК і ланцюг переносників електронів.

До складу сімейства Acholeplasmataceae входить один рід Acholeplasma, що нараховує 8 видів стериннезалежних мікоплазм. Найбільш добре вивчена A. laidlawii — перша сапрофітна мікоплазма, виділена в 1936 р. зі стічних вод Лондона. Зараз у складі роду об'єднані вільноживучі сапрофітні мікоплазми, мікоплазми — паразити ссавців і птахів; деякі з них, можливо, патогенні.

У третє сімейство Spiroplasmataceae виділені мікоплазми, схожі з такими сімейства Mycoplasmataceae, але, що відрізняються своєрідною морфологією: у стадії росту серед різноманітних форм переважають спіралевидні нитки. З листів цитрусових рослин виділена Spiroplasma citri. Особливістю її будови є зовнішній шар, що часто виявляється на мембрані, який, можливо, являє собою модифіковану клітинну стінку або структуру, що досить нагадує останню.

Група 11. Ендосимбіонти. У цю групу виділені прокаріоти — ендосимбіонти найпростіших, комах, грибів і безхребетних. Для більшості представників ендосимбіоз облігатний і їх не вдалося культивувати в лабораторії в чистій культурі.

Основні методи вивчення ендосимбіонтів — цитологічні, із застосуванням світлової й електронної мікроскопії. Важливою ознакою служить характеристика взаємин з хазяями, а також морфологія ендосимбіонтів, цикли розвитку, специфічність локалізації в клітині хазяїна. Спектр відносин ендосимбіонтів з хазяями дуже широкий: від мутуалізму до паразитизму із проявами патогенності. Деяким ендосимбіонтам привласнені біноміальні назви. Так, серед ендосимбіонтів найпростіших описано 5 родів і 14 видів.

Група 12. Грампозитивні коки. До складу групи входять представники 15 родів, що значно різняться філогенетично й фенотипічно. Це облігатні аероби, анаероби або факультативні форми. Енергію одержують за рахунок дихання й/ або бродіння. хемоорганогетеротрофи з різними потребами в живильних речовинах.

Бактерії, поєднувані в сімейство Micrococcaceae — коки, що діляться більш ніж в одній площині, схильні не розходитися після поділу й тому утворюючі скупчення сферичної або неправильної форми. В основному сапрофіти. Руйнуючи багато складні органічні речовини, виконують функцію «сміттярів». До цієї ж групи віднесений рід Streptococcus, представники якого одержують енергію, здійснюючи гомоферментативне молочнокисле бродіння, і рід Leuconostoc, бактерії, що входять до його складу, здійснюють гетероферментативне молочнокисле бродіння. Представники цієї групи виявлені в ґрунті, на поверхні злаків, у ротовій порожнині, шлунковому тракті й дихальних шляхах людини й тварин. Деякі види, що переважно відносяться до роду Staphylococcus, патогенні.

Група 13. Грампозитивні палички й коки, що утворюють ендоспори. У складі групи представники 6 родів. Два з них (Bacillus і Clostridium) найбільш численні й цікаві. Рід Bacillus поєднує рухливі паличкоподібні клітини, розміри яких коливаються в досить широких межах. Джгутики розташовані перитрихіально. Фарбування по Граму по-різному: позитивно або позитивно тільки в молодій культурі. Облигатні або факультативні аероби. Бактерії роду Bacillus синтезують різні літичні ферменти, що розщеплюють полісахариди, білки, жири й інші макромолекули. Деякі види утворюють антибіотики, такі як бацитрацин, субтилізин. Більшість бацил — сапрофіти. Основне місце їх проживання — ґрунт. Є серед них і патогенні для тварин і людину форми, наприклад В. anthracis — збудник сибірської виразки, а також види, що викликає різні захворювання членистоногих.

До складу роду Clostridium входять палички, що відрізняються від попереднього роду формою спороутворення й облігатно анаеробним способом існування. Джерело енергії в більшості випадків — маслянокисле бродіння. Більшість бактерій роду Clostridium — сапрофіти, мешканці ґрунту. Деякі види живуть у кишечнику людини й тварин. До цього роду відносяться досить небезпечні патогенні форми: С. tetani — збудник правця, С. perfringens і деякі інші види клостридій — збудники газової гангрени, С. botulinum — продуцент екзотоксину, одного з найсильніших біологічних отрут.

Група 14. Грампозитивні палички правильної форми. Група — конгломерат, що складається з 7 родів, об'єднаних декількома загальними морфологічними й фізіологічними ознаками: клітини паличкоподібної форми (від кокоподібних до подовжених, одиночних або утворюючих ланцюжки), мезофіли; строгі або факультативні аероби, є мікроаерофіли й аеротолерантні анаероби; хемоорганогетеротрофи, що ростуть тільки на складних середовищах.

Представники роду Lactobacillus, у складі якого близько 50 видів, одержують енергію в процесі гомоферментативного або гетероферментативного молочнокислого бродіння. Широко поширені в природі: їх можна виявити в ґрунті, на залишках, що розкладають, тварину й рослинного походження, у молоці й молочних продуктах, у кишечнику хребетних; лише одиничні представники роду Lactobacillus мають патогенні властивості.

Група 15. Грампозитивні палички неправильної форми. Група різноманітна. Більшість — грампозитивні палички неправильної форми, що ростуть у присутності повітря й не утворюючі ендоспор, але є в групі бактерії, що мають форму коків або паличок правильної форми, що офарблюються негативно по Граму, що і є строгими анаеробами.

Так, до роду Corynebacterium відносяться форми, схильні до морфологічної мінливості. Крім коротких паличок у культурі можна виявити кокоподібні форми, клітини, що мають булавоподібні випинання, слабкорозгалуджені форми. Для представників цього роду характерний утворення фігур, що складаються із розташованих під кутом або, що примикають друг до друга дочірніх клітин. Нерухливі. Хемоорганогетеротрофи. Енергію одержують за рахунок дихання або бродіння. Переважно факультативні анаероби, але деякі — аероби.

До складу роду входять вільноживучі види, а також паразити людини й тварин. Деякі з них патогенні, наприклад, С. diphteriae — збудник дифтерії. Більша група корінебактерій — збудники хвороб рослин.

До групи віднесені й бактерії роду Arthrobacter, для яких характерна більша в порівнянні з попереднім родом тенденція до розгалуження й утворення кокоподібних клітин.

Дата добавления: 2014-01-07