Глава 2
МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

2.1. Бактерии

Бактерии могут иметь округлую, палочковидную или извитую форму. Круглые бактерии называются кокками (одна клетка – кокк). Слово «кокк» произошло от греческого слова «коккос», что значит «семя». Обычно кокки имеют правильную шарообразную форму. Реже они несколько заострены (пневмококки) или имеют вид кофейных зерен или бобов (гоно-, менингококки).

По расположению клеток после деления кокки могут быть подразделены на несколько групп (рис. 1). У некоторых из них после деления клетки расходятся и располагаются поодиночке. Такие формы называются микрококками. Иногда кокки при делении образуют скопления, напоминающие по форме гроздья винограда. Подобные формы называются стафилококками. Другие кокки после деления в одной плоскости остаются связанными парами. Это диплококки (рис. 1: 2а,2б). У стрептококков деление также происходит в одной плоскости, но клетки не отделяются друг от друга, и поэтому образуются различной длины цепочки. Некоторые кокки делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, что приводит к образованию своеобразных скоплений кубической формы. Такие скопления кокков называются сарцинами. Если после деления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях клетки располагаются в виде сочетаний из четырех кокков, то такие скопления называются тетракокками.

Часто в природе встречаются цилиндрические, или палочковидные, бактерии. После 1875 г., когда немецкий ботаник Кон открыл существование спор, палочковидные бактерии, образующие споры, стали именовать бациллами.

У палочковидных бактерий концы бывают округлыми или заостренными. Разнообразно и расположение клеток после деления – одиночные палочки, по две, цепочками и т. п. (рис. 2).

Нередко встречаются извитые, или спиральные, бактерии. Медицинское значение имеют боррелии, трепонемы и лептоспиры, имеющие форму длинных изогнутых (несколько завитков) палочек, и вибрионы, представляющие лишь часть витка спирали и похожие на запятую (рис. 3).

Бактериальные клетки очень малы, их размеры исчисляются микрометрами (мкм). Кокки имеют диаметр около 0,5 – 1,0 мкм. Ширина палочковидных форм бактерий составляет от 0,5 до 1,0 мкм, а длина может достигать нескольких десятков микрометров. Размер бактерий может значительно изменяться в зависимости от температуры, состава среды и т. д.

Бактериальная клетка (рис. 4) окружена оболочкой. В цитоплазме содержатся ядерный аппарат, вакуоли, аналоги митохондрий – рибосомы, а также различного рода включения, обычно образующиеся в процессе обмена веществ.

Клеточная оболочка обладает определенной ригидностью (жесткостью) и вместе с тем эластичностью и способностью изгибаться. Клеточную оболочку можно разрушить ультразвуком, ферментом лизоцимом, тонкой иглой и т. д. При этом содержимое клетки – цитоплазма – с ее включениями вытекает и приобретает шаровидную форму. Отсюда следует, что оболочка придает бактериальной клетке определенную форму.

Внешняя оболочка (клеточная стенка) может быть удалена без повреждения протоплазмы. Полученная структура, окруженная лишь цитоплазматической мембраной, в слабо гипотонической среде принимает форму шара. Она была названа протопластом. Структуры, в которых стенка удалена неполностью или есть сомнения в ее полном отсутствии, принято называть сферопластами.

Масса клеточной оболочки составляет около 20 % от массы клетки. Клеточная оболочка часто бывает окружена слизистым слоем, который различается у отдельных бактерий как по толщине, так и по консистенции. Этот слой называется капсулой.

Капсула защищает клетку от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Бактерии, окруженные капсулами, могут жить в такой среде, в которой рост некапсулированных бактерий ограничен. В некоторых случаях вещество капсулы может использоваться бактериями как пищевой резерв при отсутствии другой пищи.

К клеточной оболочке бактериальной клетки тесно прилегает внешний слой цитоплазмы — цитоплазматическая мембрана. Это мягкое образование, иногда называемое осмотическим барьером клетки, действует как полупроницаемая мембрана и контролирует транспорт ионов и молекул в клетку и из клетки. Цитоплазматическая мембрана составляет около 10 % от сухой массы клетки, состоит из полипротеидов и содержит до 75 % липидов клетки. Толщина мембраны не превышает 50 – 100 0. Электронная микроскопия ультратонких срезов бактерий показала, что цитоплазматическая мембрана состоит из трех слоев бимолекулярного листка липида, поверхности которого выложены монослоями белка. Нередко мембрана дает внутрицитоплазматические ответвления (инвагинации), приводящие к образованию особых телец — мезосом.

Мембрана и мезосомы выполняют функции, свойственные митохондриям высших организмов, в которых локализованы разнообразные ферментные системы.

Под цитоплазматической мембраной находится цитоплазма. Она обычно рассматривается как коллоидная система, состоящая из воды, белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других веществ, соотношение которых зависит от вида бактерий и их возраста.

Детальные исследования микромолекулярной организации и субмикроскопической структуры цитоплазмы выявили ее микрогранулярный характер. Микрогранулярная структура цитоплазмы представлена цитоплазматическими гранулами диаметром 100 – 200 0. Многие из этих гранул являются рибосомами – частицами с богатым содержанием белка и рибонуклеиновой кислоты. В бактериальной клетке содержится приблизительно до 10 000 рибосом, осуществляющих синтез белков в бактериальной клетке.

В цитоплазме бактерий имеются гранулы запасных питательных веществ. В качестве резервных питательных веществ в клетках бактерий могут накапливаться вещества, состоящие из углеводов – гликогена (животного крахмала) или гранулезы (близкой к крахмалу). При недостаточном поступлении углеродсодержащих веществ в среду гликоген или гранулеза постепенно исчезают из клеток бактерий.

У некоторых видов бактерий в клетках накапливаются жир и волютин. Последний состоит из неорганических полифосфатов и полиметафосфатов, а также веществ, близких к нуклеиновым кислотам. Волютин обнаруживается в виде крупных, хорошо видимых гранул, образующихся в больших количествах на средах, богатых глицерином или углеводами.

В цитоплазме бактериальных клеток расположен ядерный аппарат (иногда называемый нуклеоидом). Это образование также называют генофором, или бактериальной хромосомой. По сути дела это двойная, замкнутая в кольцо суперспирализованная молекула ДНК. Обычно ядерное образование (по одному на клетку) располагается в центральной части внутреннего содержимого клетки бактерий. В отличие от клеток высокоорганизованных организмов нуклеоиды бактерий не отделены от цитоплазмы мембраной.

Часть бактерий способна к активному передвижению. Существует два типа подвижных бактерий: ползающие и плавающие. Ползающее движение наблюдается у миксобактерий. Эти организмы могут совершать скользящие движения по поверхности в результате волнообразных сокращений, вызывающих периодическое изменение формы клетки.

Многие бактерии передвигаются с помощью особых нитевидных придатков — жгутиков, обусловливающих их подвижность благодаря своим спиральным волнообразным движениям вследствие ритмичных сокращений (рис. 5, см. цв. вклейку).

Кокки, за исключением отдельных видов, не имеют жгутиков. Среди бактерий цилиндрических форм приблизительно около половины имеют жгутики. Большинство спиралевидных бактерий подвижны.

Бактерии с одним жгутиком называются монотрихами, имеющие на одном или на обоих концах тела пучок жгутиков — лофотрихами. Перитрихами называются бактерии, имеющие жгутики по всей поверхности тела. Количество жгутиков у различных видов бактерий различно. Например, вибрионы имеют 1 – 3 жгутика, а у палочковидных бактерий обнаружено от 50 до 100 жгутиков.

Толщина жгутиков – около 0,01 мкм, а длина их во много раз превосходит длину тела бактерий. В химическом отношении жгутики представляют собой белок флагеллин и денатурируются при нагревании.

Жгутики не являются жизненно важной структурой для бактериальной клетки. Так, бактерии, обладающие жгутиками, можно вырастить в таких условиях, при которых жгутики не развиваются. У подвижных бактерий наблюдаются «фазовые вариации», т. е. жгутики присутствуют в течение одной фазы развития и отсутствуют в другой. Жгутики бактерий можно разрушить, при этом клетка будет оставаться жизнеспособной.

Свое начало жгутики берут от плотного тельца в цитоплазме, но прикрепляются они не только к цитоплазматической мембране, но и к клеточной. Протопласты, освобожденные от клеточной оболочки, сохраняют жгутики.

Бактериальные клетки (монотрихи), перемещаясь с помощью жгутика вдоль своей оси, совершают волнообразное движение. У перитрихов наблюдается оживленное кувыркание.

Скорость движения бактериальных клеток зависит от особенностей их аппарата движения и свойств среды – ее вязкости, температуры, рН, осмотического давления и др. Некоторые бактерии могут передвигаться при благоприятных условиях на расстояние, превышающее размеры клетки в 10 – 15 раз. Большинство же бактерий за секунду проходит расстояние, равное размеру их клетки.

Кроме жгутиков клетки бактерий могут иметь прямые отростки — фимбрии. Фимбрии значительно короче и тоньше жгутиков, но более многочисленны и обнаружены как у подвижных, так и у неподвижных организмов.

Некоторые бактерии способны образовывать споры (эндоспоры), тельца сферической или эллиптической формы, очень устойчивые к неблагоприятным условиям. Споры преломляют свет и четко видны в световом микроскопе (рис. 6). Обычно в клетке образуется одна спора — эндоспора. Споры не являются органами размножения, они служат для приспособления организма к неблагоприятным внешним условиям.

Формирование спор зависит от условий их роста. Споры могут оставаться живыми в условиях, когда вегетативные клетки, не образовавшие спор, погибают. Большинство спор хорошо переносят высушивание, многие из них остаются жизнеспособными даже при кипячении в течение нескольких часов. В сухом состоянии споры погибают лишь при сильном нагревании (150 – 160 °C) в течение нескольких часов.

Споры отдельных видов бактерий могут сохраняться веками.

Оболочка спор содержит мукопротеиды. Под слоями внешней оболочки лежит так называемая кора споры, которая служит барьером против проникновения воды и растворенных в ней веществ. Под корой расположена стенка споры, покрывающая цитоплазму, ядро и резервный материал. Цитоплазма споры имеет гомогенную структуру.

В спорах содержится мало воды (вследствие обезвоживания), что предохраняет белки от денатурации при высоких температурах. Общая схема спорообразования может быть представлена в следующем виде. В вегетативной клетке возникают уплотненные зоны цитоплазмы, носящие название первичной споры, или проспоры,которые, сливаясь, преломляют свет. Проспора окружена цитоплазматической мембраной. Дальнейшее развитие споры состоит в образовании оболочек и ее созревании.

Диаметр споры равен приблизительно диаметру клетки, в которой она образовалась, или несколько превышает его. У некоторых бактерий спора формируется на конце клетки, которая при этом несколько расширяется и приобретает вид барабанной палочки. У других бактерий спора образуется в центре клетки, которая либо не меняет формы (род Bacillus), либо в середине расширяется и принимает вид веретена (род Clostridium). Вегетативная часть клетки разрушается и исчезает, и остается только преломляющая свет спора, с трудом подвергающаяся окрашиванию.

Попадая в благоприятные условия, спора начинает «прорастать». При этом она разбухает не только в результате поглощения воды, но и вследствие роста клетки за счет резервного материала. Затем оболочки под влиянием давления, вызванного ростом, разрываются и дают трещину. Возникает новая вегетативная клетка. Способ, которым клетка выходит из споры, индивидуален для каждого вида и может использоваться в качестве видовой характеристики.

Благодаря жесткости стенки клетка сохраняет форму: шаровидную, палочковидную или извитую. Оболочка защищает клетку, сохраняя ее структурную целостность при изменении внешних условий, в частности при осмотических воздействиях. Наряду с мембраной она служит полупроницаемым барьером, обеспечивающим избирательное проникновение питательных веществ из окружающей среды и выделение высокомолекулярных соединений – токсинов или ферментов, участвующих во внеклеточном переваривании субстратов. Клеточная стенка определяет антигенную специфичность видов, является местом адсорбции фагов на клетке и участвует в процессах движения и деления.

При изучении химического состава клеточных стенок грамположительных (бактерий с толстой клеточной стенкой) и грамотрицательных бактерий (с тонкой клеточной стенкой) выявились существенные различия в их качественном и количественном составе (рис. 7).