ГЛАВА II
МОРФОЛОГИЯ И СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ
ОСНОВЫ СИСТЕМАТИКИ
К микроорганизмам, как мы уже упоминали выше, относятся представители как растительного, так и животного мира: из растений — бактерии, некоторые грибы и водоросли, а из животных — протисты (Protozoa). Особое место среди микроорганизмов занимают ультрамикробы (вирусы и бактериофаги), невидимые в оптический микроскоп и проходящие через бактериальные фильтры (подробно см. § 3).
Вопросы систематики микроорганизмов решались гораздо медленнее, чем систематики высших растений и животных, так как это требовало детального изучения их морфологии и физиологии.
Знаменитый шведский ботаник Карл Линней, давший основы классификации высших животных и растений (1735 г.), не смог классифицировать микроорганизмы и отнёс их к одному роду, который он назвал «хаос». (Карл Линней никогда не пользовался микроскопом). В 1838 г. вышла книга Эрнберга «Инфузории как совершенные организмы», в которой весь класс инфузорий (как называли тогда все микроорганизмы) был разделен на 22 семейства. Из них три семейства приходились на группу бактерий. Впервые научную классификацию бактерий дал Ф. Кон (1875 г.), который причислил бактерии к растениям и объединил их в одну группу с низшими водорослями.
Большой заслугой Карла Линнея является введённая им в биологию бинарная (двойная) номенклатура. До Линнея научные названия животных и растений слагались из большого числа слов. Линней предложил дать каждому живому организму два наименования — родовое и видовое — на латинском языке, как международном языке науки. Этот способ наименования организмов был назван бинарной номенклатурой. Например, род кошек обозначается словом Felis. Лев будет Felis leo, тигр Felis tigris, домашняя кошка Felis domestica и т. д.
Бинарная номенклатура распространяется и на микроорганизмы, которые также имеют латинские названия, состоящие из двух слов. Например, Bacterium coli (кишечная палочка), Bacillus subtilis (сенная палочка), Saccharomyces vini (винные дрожжи) и т. д.
Поскольку для микробиологии виноделия наибольшее значение имеют бактерии, а из грибов — плесени и дрожжи, нами будет подробно рассмотрена морфология и систематика этих групп микроорганизмов.
БАКТЕРИИ (BACTERIA)
К бактериям относятся микроскопически малые растительные организмы. Большинство бактерий — одноклеточные организмы, лишённые хлорофилла и размножающиеся простым делением.
Форма и размеры бактерий
По своей форме бактерии делятся на три основные группы:
- Шаровидные бактерии. Они могут быть в виде одиночных шариков (кокки), соединённых друг с другом попарно (диплококки), или же по четыре (тетракокки), цепочками (стрептококки), по восемь клеток (сарцины), а также в виде скоплений неправильной формы, напоминающих виноградную гроздь (стафилококки).
- Палочковидные (цилиндрические) бактерии, которые могут быть длинными или короткими, толстыми или тонкими. Палочки могут быть соединены попарно или цепочками. Палочковидные бактерии, не образующие спор, называются бактериями, а образующие споры — бациллами.
- Извитые бактерии. Они могут быть слегка изогнутыми в виде запятой (вибрионы), с одним или несколькими завитками (спириллы), длинными и тонкими с многочисленными завитками (спирохеты).
Рис. 1. Формы бактерий:
б, в, д — шаровидные; е, ж — палочковидные; и, к — извитые.
Бактерии по своим размерам очень малы. Диаметр их находится в пределах 0,5—1,0 микрона (1 микрон равен одной тысячной доле миллиметра), а длина палочковидных бактерий лежит между 1 и 5 микронами. Микроорганизмы мельче 0,2 микрона обычными микроскопами не обнаруживаются. Они могут быть видны только в ультрамикроскоп или в электронный микроскоп.
Есть среди бактерий и нитчатые формы, представляющие собою колонии организмов. К этой группе относятся многие серобактерии и железобактерии.
Форма и размеры бактерий могут несколько изменяться в зависимости от внешних условий. Поэтому при изучении формы и размеров бактерий требуются определённые условия их выращивания.
Строение бактериальной клетки
Бактериальная клетка состоит из полупроницаемой внешней оболочки и полужидкого содержимого — цитоплазмы. Последняя представляет собою массу, преимущественно белкового характера, находящуюся в коллоидальном состоянии. Внешний слой цитоплазмы, прилегающий к клеточной оболочке, уплотнён и обладает полупроницаемостью. Его называют гиалиновым или кожистым слоем. У молодых бактерий цитоплазма заполняет всю клетку. В более старых клетках в цитоплазме появляются полости — вакуоли, заполненные клеточным соком. Это — водный раствор различных минеральных и органических соединений.
В цитоплазме содержатся различные включения (в виде углеводов, капелек жира, зёрен волютина и пр.), являющиеся запасными питательными веществами. Некоторые бактерии содержат в цитоплазме пигменты (красящие вещества), как, например, пурпурные серобактерии. В большинстве случаев у бактерий отсутствует оформленное ядро. В цитоплазме имеется ядерное вещество, представленное нуклеопротеидами, в частности тимонуклеиновой кислотой, распылённой по всей клетке. Такое ядро принято называть диффузным (А. А. Имшенецкий).
В отличие от высших растений, у которых оболочка клетки состоит из целлюлозы, оболочка бактериальной клетки вовсе не содержит целлюлозы. Она состоит из безазотистых веществ (полисахариды и липоиды) и некоторых азотистых веществ, близких к хитину.
У молодых бактерий оболочка тонкая и эластичная. По мере старения клетки оболочка уплотняется и становится менее эластичной. У некоторых бактерий оболочка способна в определённых условиях набухать и ослизняться, в результате чего клетка покрывается слизистой капсулой. Иногда ослизнение бывает настолько интенсивным, что отдельные капсулы сливаются в сплошную слизистую массу, в которую вкраплены бактериальные клетки.
Рис. 2. Капсулы у бактерий.
Такие скопления называются зооглеями. Подобное явление может в некоторых случаях принести большой вред. Так, в сахарном производстве иногда бывает, что большие массы неочищенного свекловичного сока превращаются в камедистую массу под влиянием стрептококков (Leuconostoc mesenterioides). Ослизнению могут подвергаться и другие пищевые продукты — молоко, рассол квашеных овощей, вино.
Движение бактерий
Движение не является общебиологической особенностью бактерий, и не все бактерии обладают собственным движением. Бактерии, не обладающие подвижностью, пассивно переносятся токами воздуха или жидкости, в которой они находятся. Большинство бактерий в силу своих малых размеров подвержено броуновскому движению. Самостоятельное движение бактерий осуществляется при помощи жгутиков или изгибами тела (у спирохет).
Жгутики представляют собою нитевидные выросты протоплазмы. При толщине не более 0,05 микрона они достигают значительной длины, превышая в десятки раз длину самой клетки. Под микроскопом жгутики могут быть видны только после специальной обработки.
По характеру расположения жгутиков все подвижные бактерии делятся на три группы: 1) монотрихи, имеющие один жгутик, расположенный полярно, т. е. на одном из концов клетки, 2) лофотрихи, имеющие пучок жгутиков на одном из концов или на обоих концах клетки, 3) перитрихи, имеющие жгутики, расположенные по всей поверхности клетки.
Характер движения бактерий зависит от расположения жгутиков. При полярном их расположении бактерии движутся по прямой, изредка совершая лёгкие колебания. При перитрихиальном расположении жгутиков движение носит беспорядочный характер.
Подвижность бактерий находится в зависимости от их возраста и от внешних условий. Часто при старении они теряют свою подвижность. Скорость этого движения различна. Обычно за одну секунду бактерии проходят расстояние, равное размеру их тела. Самым подвижным считается холерный вибрион, который при длине тела в два микрона проходит за одну секунду расстояние в 30 микронов.
Рис. 3 Жгутики у бактерий.
Размножение бактерий
Размножение бактерий происходит путём деления клетки пополам. При этом в средней части клетки возникает протоплазматическая перегородка, которая, расщепляясь даёт начало двум новым клеткам. У шаровидных бактерий перегородка может проходить по любому из диаметров клетки. У палочковидных и извитых форм перегородка образуется поперёк клетки, а у спирохет деление происходит по длине клетки. У некоторых бактерий клетки после размножения не отделяются друг от друга, образуя цепочки или скопления иной формы (тетрады, сарцины, стафилококки).
Быстрота размножения бактерий зависит от внешних условий. При благоприятных условиях бактерии делятся очень быстро. Через каждые 20—30 минут клетка делится пополам. Таким быстрым размножением бактерий объясняется и быстрое их действие на среду (порча мяса, рыбы и пр.).
Спорообразование у бактерий
Некоторые палочковидные бактерии — бациллы — при определённых условиях способны образовать споры. Обычно образование спор наступает при неблагоприятных условиях существования клетки микроба и считается переходом клетки из вегетативного в покоящееся состояние. Однако по некоторым литературным данным, причиной спорообразования может быть старение клетки, или же оно является нормальным этапом в жизненном цикле микроба.
Споры у бактерий образуются внутри вегетативной клетки и называются поэтому эндоспорами. Цитоплазма уплотняется, собираясь в центре клетки или ближе к одному из её концов, и покрывается толстой оболочкой. Так как диаметр споры часто превышает диаметр самой палочки-клетки, то бактерия принимает форму веретена (у маслянокислых бактерий) или форму барабанной палочки (у возбудителя брожения клетчатки) (см. рис. 4). Считается, что содержание воды в спорах меньше, чем в вегетативных клетках бактерий. По другим данным, содержание воды в спорах такое же, но эта вода находится не в свободной, а в связанной форме.
Споры очень устойчивы к ядовитым веществам и к повышенным температурам. Они выдерживают кипячение в течение нескольких часов и высушивание. Причём, в высушенном состоянии их устойчивость к высоким температурам значительно увеличивается. Устойчивость спор к бактерицидным веществам объясняется малой проницаемостью споровой оболочки, а устойчивость к нагреванию — низким содержанием свободной воды.
Споры способны оставаться живыми в течение значительного времени. По некоторым данным, спорообразующие палочки были найдены в банке мясных консервов, хранившейся в течение 114 лет. Такая живучесть спор объясняется ограниченным обменом веществ между спорой и внешней средой. Споры считаются покоящимся состоянием клетки.
Рис. 4. Споры у бактерий.
В состоянии спор бактерии не проявляют своей деятельности вследствие потери активности ферментов, что является, в свою очередь, следствием понижения содержания свободной воды. Лишь некоторые споры способны изменять окружающую среду своими ферментами. Так, наблюдалось слабое разжижение желатины спорами сенной палочки в присутствии дезинфицирующих веществ, достаточных для подавления размножения и роста.
Ввиду того, что из каждой вегетативной клетки образуется только одна спора, спорообразование у бактерий не следует рассматривать как процесс размножения, а как защитное приспособление в борьбе с неблагоприятными условиями, т. е. недостатком питательных веществ в среде и накоплением продуктов обмена.
Процесс спорообразования длится несколько часов, но он может быть ускорен при ухудшении питания или, наоборот, замедлен пересевом на свежие питательные среды.
Некоторые бациллы при определенных условиях могут терять способность к спорообразованию и переходить в аспорогенные (не образующие спор) формы. Это наблюдается чаще всего при накоплении в среде ядовитых веществ. Аспорогенность может быть временной или постоянной. После созревания споры старая клеточная оболочка разрушается и спора освобождается. Споры очень трудно поддаются окрашиванию и могут быть видны только после специальной окраски.
Попадая в благоприятные для жизни условия, споры прорастают. Вначале они набухают, затем наружная оболочка, гидролизуясь, разрывается, и вегетативная клетка освобождается. Прорастание спор длится несколько часов, но у некоторых бактерий может завершиться за 40—50 минут.
Систематика (классификация) бактерий
Бактерии относятся к растительному миру. Отсутствие у бактерий полового размножения не позволяет создать естественные системы бактерий. Поэтому классификацию бактерий производят на основании многих признаков как морфологического характера, так и культуральных и физиологических. Единой, общепризнанной классификации бактерий нет. В СССР широкое распространение получила система Н. А. Красильникова, делящего бактерии на четыре класса:
I класс — актиномицеты (Actinomycetes).
II класс — настоящие бактерии (Bacteriae).
Ill класс — миксобактерии (Myxobacteriae).
IV класс — спирохеты (Spirochaetae).
В Америке и Англии принята классификация Бердже, основанная на морфологических и физиологических признаках. По этой системе бактерии относятся к классу Schizomycetes и делятся на семь порядков, каждый из которых делится на семейства, подсемейства (трибы), роды и виды.
Более простой является система Лемана и Неймана. В основу деления на семейства здесь положены морфологические признаки, а в основу деления на виды — различные морфологические, культуральные и физиологические признаки.
По системе Лемана и Неймана все бактерии относятся к классу Schizomycetes, который делится на два порядка — шизомицеты (Schizomycetales) и актиномицеты (Actinomycetales).
Порядок шизомицеты.
К этому порядку относится шесть семейств:
- Семейство Соссасеае. В это семейство входят бактерии шаровидной формы (кокки). В большинстве они неподвижны, спор не образуют. К ним относятся три рода. 1. Род Streptococcus (стрептококки). Эти бактерии делятся всегда в одной плоскости, образуя цепочки или сдвоенные шарики (диплококки). 2. Род Sarcina (сарцины). Они делятся последовательно в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя кубической формы колонии (пакеты). 3. Род Micrococcus (микрококки). Они делятся в различных плоскостях, образуя одиночные клетки или бесформенные скопления (стафилококки).
- Семейство Bacteriaceae. К этому семейству относятся палочковидные бактерии, не образующие спор. Они могут быть со жгутиками и без жгутиков. К этому семейству относится род Bacterium — бесспоровые палочки.
- Семейство Bacillaceae. Длинные палочковидные бактерии, образующие споры. У подвижных форм преимущественно перитрихиальное жгутование. К этому семейству относится один род Bacillus — спорообразующие палочки. В зависимости от расположения споры в клетке приобретают форму веретена (Clostridium) или барабанной палочки (Plectridium).
- Семейство Spirillaceae. К этому семейству относятся изогнутые и спирально извитые бактерии, подвижные, не образующие спор. Они делятся на два рода: 1 Род Vibrio (вибрионы) — короткие, слабо изогнутые бактерии, напоминающие по форме запятую, с одним или двумя полярно расположенными жгутиками. 2 Род Spirillum (спириллы) — длинные, толстые, сильно изогнутые клетки, похожие на спирали или штопоры, с пучком жгутиков на одном из концов клетки.
Рис. 5. Нитчатые бактерии:
а, б — отдельные нити; в — неподвижные гонидии; г — подвижные гонидии; д — дерновинка из сидячих нитей (общий вид).
V. Семейство Spirochaetaceae. Длинные, тонкие, многократно изогнутые клетки, двигающиеся без помощи жгутиков. Известен один род Spirochaeta (спирохеты). В этот род входят главным образом болезнетворные бактерии (возбудители сифилиса, возвратного тифа и др.).
- Семейство Desmobacteriaceae. К этому семейству относятся нитчатые формы, состоящие из сцепленных клеток. Это многоклеточные бактерии. Нити бывают подвижные и неподвижные. Жгутиков нет. Движение осуществляется изгибанием тела. Строение клетки такое же, как и у остальных бактерий. Нити этих бактерий бывают покрыты слизистой оболочкой, образующей общее влагалище.
Рис. 6. Актиномицеты.
Нитчатые бактерии размножаются при помощи особых клеток — гонидий, развивающихся на концах нити. Гонидии некоторых бактерий снабжены жгутиками и способны передвигаться. Освободившись из слизистого влагалища, гонидии прорастают в новые нити путём поперечного деления клеток.
К нитчатым бактериям относятся железо- и серобактерии, принимающие участие в превращениях серы и железа в природе. Они живут преимущественно в воде, но встречаются и в почве. Одни водные нитчатые бактерии прикреплены к субстрату при помощи слизистой подушечки, образующейся на нижнем конце нити, другие свободно плавают в воде. К серобактериям относятся роды Beggiatoa и Thiothrix, окисляющие сероводород в серную кислоту. К железобактериям относятся роды Leptothrix и Crenothrix, окисляющие закисные соли железа и отлагающие во влагалище гидрат окиси железа, дающий начало образованию озёрных руд.
Порядок актиномицеты (Actinomycetales)
К этому порядку относятся лучистые грибки, очень широко распространённые в почве. Их основным признаком является ветвистый одноклеточный мицелий. Оформленного ядра у них не обнаружено. Есть среди актиномицетов и палочковидные бактерии, способные ветвиться. Часть мицелия погружена в субстрат, другая часть поднимается вверх в виде воздушного мицелия. Мицелевидные актиномицеты размножаются спорами, образующимися на воздушных нитях мицелия. Палочковидные актиномицеты размножаются делением. Их называют микобактериями. Среди палочковидных актиномицетов есть патогенные формы (возбудители туберкулёза, дифтерии). Некоторые актиномицеты используются для производства антибиотиков (стрептомицина). Лучистые грибки принимают участие в превращении веществ в почве. Некоторые из них обусловливают характерный «запах почвы», который сильно ощущается после дождя. Мицелевидные актиномицеты считаются переходной формой между бактериями и грибами.
Миксобактерии (Myxobacteriae)
Миксобактерии, или слизистые бактерии, составляют особую группу бактерий. Они отличаются от обычных бактерий способом передвижения и размножения. У некоторых миксобактерий имеется оформленное ядро. Плотная наружная оболочка отсутствует. Миксобактерии движутся колонией по реактивному принципу, благодаря набуханию выделяемой ими слизи, которая и толкает колонию. Размножаются миксобактерии перешнурованием клеток без образования клеточной перегородки. Миксобактерии способны переходить в покоящиеся формы, какими являются слизистая циста и плодовые тела. Они могут развиваться в навозе, на гниющей древесине, в почве. Миксобактерии способны разлагать клетчатку в аэробных условиях, что стало известно благодаря исследованиям А. А. Имшенецкого, Е. Н. Мишустина и др.
