Питание бактерий. Автотрофы и гетеротрофы.

Дыхание бактерий

По способу получения энергии бактерии можно разделить на две группы: аэробы и анаэробы. Аэробные бактерии для расщепления орга­нических веществ используют кислород. При расщеплении выделяется энергия, которая расходуется на процессы жизнедеятельности. Поэто­му аэробные бактерии могут жить только в кислородной среде, необ­ходимой для их дыхания.

Анаэробные бактерии получают энергию в результате бескислородного расщепления органических веществ - брожения или гниения.

Анаэробные бактерии были открыты французским биологом Луи Пастером в 1861 году. Это открытие ошеломило ученых-биологов, так как все считали, что жизнь обязательно связана с дыханием, то есть использованием кислорода. Первой анаэробной бактерией, открытой Л. Пастером, оказалась клостридиум бутирикум - бацилла, вызываю­щая брожение углеводов.

Брожением называют бескислородное ферментативное расщеп­ление углеводов.

Молочнокислые бактерии, например, расщепляют молекулу глюко­зы на две молекулы молочной кислоты. Выделяющуюся при этом энер­гию они используют для процессов жизнедеятельности. Химическими символами эту реакцию можно записать следующим образом:

С 6 Н 12 0 6 2 С 3 Н 6 0 3 + ЭНЕРГИЯ

Такие реакции происходят при скисании молока, изготовлении кефира, при квашении капусты, мочении яблок, силосовании. Сахара, содержащиеся в молоке, овощах, фруктах, расщепляются до молочной кислоты, и бактерии получают необходимую для них энергию. Но при этом постепенно повышается кислотность среды, и она становится не­пригодной для жизни бактерий. Поэтому после брожения пищевые продукты могут сохраняться длительное время.

Анаэробные бактерии подразделяются на облигатные, которые не могут жить в присутствии кислорода, и факультативные, живущие как в кислородной среде, так и в бескислородной.

По способу питания бактерии можно разделить на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофами называют бактерии, которые способны синтезиро­вать органические вещества из неорганических.

Если для синтеза используется солнечная энергия, то бактерии называют фотосинтетиками, а если энергия, выделяющаяся при различ­ных химических реакциях, - хемосинтетиками.

Все автотрофы имеют две большие группы ферментов. Одни обеспечивают синтез простых органических веществ из неорганиче­ских, а другие, используя эти вещества (глюкозу и др.), синтезируют сложные органические соединения (крахмал, муреин, белки и др.).

К бактериям-фотосинтетикам относятся Пурпурные и Зеленые бак­терии. В отличие от растений они получают водород (Н) не из воды (Н 2 0), а из сероводорода (Н 2 S). Химическими символами реакцию бактериаль­ного фотосинтеза можно записать следующим образом:

СО 2 + Н 2 S С n Н 2 n О n + Н 2 0 +S

При этой форме фотосинтеза кислород не выделяется, а в клет­ках бактерий накапливается сера. Такой тип фотосинтеза называют анаэробным.

Бактерии-фотосинтетики обитают чаще всего в водоемах на поверхности ила, а некоторые виды - в горячих источниках.

Иной характер фотосинтеза (аэробный) у цианобактерий. Это древнейшие организмы, появившиеся на нашей планете около 3 млрд. лет назад. Обитают преимущественно в пресных водоемах, вызывая иногда «цветение воды». Некоторые виды живут в морях и океанах, а также на суше, образуя на почве, камнях и коре деревьев зеленые налеты.

Фотосинтез цианобактерий подобен этому процессу у растений, и, используя химические символы, его можно выразить таким уравне­нием:

СO 2 + H 2 O C n H 2 n O n + O 2

Именно цианобактерии 800 млн. лет были единственными постав­щиками кислорода в атмосферу.

Бактерии-хемосинтетики были впервые обнаружены русским ученым С. Н. Виноградским в 1890 году. Эти бактерии используют энер­гию, выделяющуюся при окислении соединений аммиака, азота, же­леза, серы.

Бактерии-гетеротрофы используют для питания готовые орга­нические вещества, вырабатываемые организмами, либо остатками мертвых тел.

Способов получения необходимой энергии у этих бактерий два: брожение и гниение.

Гниением называют анаэробное ферментативное расщепление белков и жиров.

Если бактерии для жизнедеятельности используют остатки мерт­вых тел, то их называют сапротрофами. Знаменитый французский мик­робиолог Луи Пастер еще в конце XIX века указал на исключительно важную роль бактерий-сапротрофов в природе. Эти бактерии совмес­тно с плесневыми грибами являются редуцентами (от лат. Reduce - возвращать). Расщепляя органические остатки до минеральных солей, они очищают нашу планету от трупов животных и остатков растений, обеспечивая живые организмы минеральными солями, и замыкают круговорот веществ в природе.

В то же время бактерии гниения, попадая на продукты питания, вызывают их порчу. Для защиты продуктов питания от редуцентов их подвергают сушке, маринованию, копчению, засолке, замораживанию, квашению или специальным методам консервирования - пастериза­ции или стерилизации.

Луи Пастер разработал метод сохранения жидких пищевых про­дуктов (молока, вина, пива и др.), который назвали пастеризацией. Для уничтожения бактерий жидкость нагревают до температуры 65 - 70°С и выдерживают 15 - 30 минут.

Полное уничтожение бактерий достигается путем стерилизации. При этом продукты выдерживают при 140°С около 3 часов, либо обра­батывают их газами, жестким излучением и т. д.

Патогенные бактерии вызывают такие заболевания, как холера, чума, туберкулез, воспаление легких, сальмонеллез, возвратный тиф, ангина, дифтерия, столбняк и многие другие болезни человека, а также различ­ные заболевания животных и растений.

Изучение патогенных бактерий было начато еще Л. Пастером и получило развитие в работах Роберта Коха, Е. Смита, Данилы Самойловича, Ш. Китасато.

Издавна было известно, что бобовые растения повышают плодо­родие почвы. Об этом писали еще Теофраст и римский ученый Гай Плиний Старший.

В 1866 году известный русский ботаник и почвовед М. С. Воро­нин обратил внимание, что на корнях бобовых растений имеются ха­
рактерные вздутия - клубеньки, которые образуются в результате жизнедеятельности бактерий.

Лишь 20 лет спустя голландский микробиолог Мартин Бейеринк сумел доказать, что бактерии поселяются на корнях бобовых растений, получая от них готовые органические вещества, а взамен дают расте­нию столь необходимый для них азот, который усваивают из воздуха.

Так был открыт симбиоз бактерий с растениями. Дальнейшие ис­следования показали, что не только с растениями, но и с животными и даже с человеком. В кишечнике человека поселяется несколько видов бактерий, которые питаются остатками непереварившейся пищи, давая взамен витамины и некоторые другие вещества, необходимые для жиз­недеятельности человека.

По способу питания бактерии можно разделить на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофами называют бактерии, которые способны синтезиро­вать органические вещества из неорганических.

Если для синтеза используется солнечная энергия, то бактерии называют фотосинтетиками, а если энергия, выделяющаяся при различ­ных химических реакциях, - хемосинтетиками.

Все автотрофы имеют две большие группы ферментов. Одни обеспечивают синтез простых органических веществ из неорганиче­ских, а другие, используя эти вещества (глюкозу и др.), синтезируют сложные органические соединения (крахмал, муреин, белки и др.).

К бактериям-фотосинтетикам относятся Пурпурные и Зеленые бак­терии. В отличие от растений они получают водород (Н) не из воды (Н 2 0), а из сероводорода (Н 2 S). Химическими символами реакцию бактериаль­ного фотосинтеза можно записать следующим образом:

СО 2 + Н 2 S С n Н 2 n О n + Н 2 0 +S

При этой форме фотосинтеза кислород не выделяется, а в клет­ках бактерий накапливается сера. Такой тип фотосинтеза называют анаэробным.

Бактерии-фотосинтетики обитают чаще всего в водоемах на поверхности ила, а некоторые виды - в горячих источниках.

Иной характер фотосинтеза (аэробный) у цианобактерий. Это древнейшие организмы, появившиеся на нашей планете около 3 млрд. лет назад. Обитают преимущественно в пресных водоемах, вызывая иногда «цветение воды». Некоторые виды живут в морях и океанах, а также на суше, образуя на почве, камнях и коре деревьев зеленые налеты.

Фотосинтез цианобактерий подобен этому процессу у растений, и, используя химические символы, его можно выразить таким уравне­нием:

СO 2 + H 2 O C n H 2 n O n + O 2

Именно цианобактерии 800 млн. лет были единственными постав­щиками кислорода в атмосферу.

Бактерии-хемосинтетики были впервые обнаружены русским ученым С. Н. Виноградским в 1890 году. Эти бактерии используют энер­гию, выделяющуюся при окислении соединений аммиака, азота, же­леза, серы.

Бактерии-гетеротрофы используют для питания готовые орга­нические вещества, вырабатываемые организмами, либо остатками мертвых тел.

Способов получения необходимой энергии у этих бактерий два: брожение и гниение.

Гниением называют анаэробное ферментативное расщепление белков и жиров.

Если бактерии для жизнедеятельности используют остатки мерт­вых тел, то их называют сапротрофами. Знаменитый французский мик­робиолог Луи Пастер еще в конце XIX века указал на исключительно важную роль бактерий-сапротрофов в природе. Эти бактерии совмес­тно с плесневыми грибами являются редуцентами (от лат. Reduce - возвращать). Расщепляя органические остатки до минеральных солей, они очищают нашу планету от трупов животных и остатков растений, обеспечивая живые организмы минеральными солями, и замыкают круговорот веществ в природе.

В то же время бактерии гниения, попадая на продукты питания, вызывают их порчу. Для защиты продуктов питания от редуцентов их подвергают сушке, маринованию, копчению, засолке, замораживанию, квашению или специальным методам консервирования - пастериза­ции или стерилизации.

Луи Пастер разработал метод сохранения жидких пищевых про­дуктов (молока, вина, пива и др.), который назвали пастеризацией. Для уничтожения бактерий жидкость нагревают до температуры 65 - 70°С и выдерживают 15 - 30 минут.

Полное уничтожение бактерий достигается путем стерилизации. При этом продукты выдерживают при 140°С около 3 часов, либо обра­батывают их газами, жестким излучением и т. д.

Патогенные бактерии вызывают такие заболевания, как холера, чума, туберкулез, воспаление легких, сальмонеллез, возвратный тиф, ангина, дифтерия, столбняк и многие другие болезни человека, а также различ­ные заболевания животных и растений.

Изучение патогенных бактерий было начато еще Л. Пастером и получило развитие в работах Роберта Коха, Е. Смита, Данилы Самойловича, Ш. Китасато.

Издавна было известно, что бобовые растения повышают плодо­родие почвы. Об этом писали еще Теофраст и римский ученый Гай Плиний Старший.

В 1866 году известный русский ботаник и почвовед М. С. Воро­нин обратил внимание, что на корнях бобовых растений имеются ха­
рактерные вздутия - клубеньки, которые образуются в результате жизнедеятельности бактерий.

Лишь 20 лет спустя голландский микробиолог Мартин Бейеринк сумел доказать, что бактерии поселяются на корнях бобовых растений, получая от них готовые органические вещества, а взамен дают расте­нию столь необходимый для них азот, который усваивают из воздуха.

Так был открыт симбиоз бактерий с растениями. Дальнейшие ис­следования показали, что не только с растениями, но и с животными и даже с человеком. В кишечнике человека поселяется несколько видов бактерий, которые питаются остатками непереварившейся пищи, давая взамен витамины и некоторые другие вещества, необходимые для жиз­недеятельности человека.

Значение бактерий

1. Участвуют в экосистемах в разрушении мертвого органическо­го материала и тем самым принимают непосредственное участие в кру­говороте углерода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов.

2. С активностью бактерий связаны многие процессы в природе, как симбиотическая (клубеньковые бактерии), так и несимбиотическая (азотобактерии) фиксация молекулярного азота.

Многие виды бактерий человек использует в народном хозяй­стве: получение органических продуктов в результате брожения (уксуснокислые, лактобактерии).

3. Служат источником для получения антибиотиков (грамицидин, стрептомицин).

4. Бактерии используются для создания новых способов получе­ния важнейших для промышленности веществ, в том числе спиртов, орга­нических кислот, Сахаров, полимеров, аминокислот и ряда ферментов.

5. Симбиотические бактерии кишечника млекопитающих (микро­флора) участвуют в синтезе ряда витаминов группы В и витамина К, а также расщепляют клетчатку.

6. Благодаря генной инженерии в настоящее время удалось успеш­но перенести гены человеческого инсулина в геном кишечной палочки, и уже началось промышленное получение этого гормона.

7. Многие виды бактерий служат причиной болезни растений, жи­вотных и человека.

Глава 11

ЦАРСТВО ВИРУСЫ (VIRA)

История открытия вирусов

В конце XIX века странная болезнь поражала в Крыму плантации табака. Листья заболевших растений покрывались ржавыми пятнами, сморщивались и засыхали.

Этой болезнью заинтересовался выпускник Петербургского уни­верситета Д. И. Ивановский. Чтобы выделить возбудителя заболевания, он растер листья больных растений, а полученный сок профильтровал через полотно. Однако ни в процеженном соке, ни в остатке на полотне болезнетворных бактерий Д. И. Ивановский не обнаружил. В то же время процеженный сок, наносимый на листья здоровых растений, в 80% случаев вызывал характерное заболевание. Может быть, бактерии, вызы­вающие заболевания, слишком малы? Ивановский процеживает сок че­рез фарфоровый фильтр, который, как известно, не пропускает даже са­мых мелких бактерий. И опять безрезультатно. Д. И. Ивановский делает вывод, что болезнь табака вызывают мельчайшие фильтрующиеся бак­терии, которые невозможно увидеть в оптический микроскоп.

Через несколько лет причины заболевания табака исследует гол­ландский микробиолог Мартин Бейеринк и приходит к выводу, что растения поражает... ядовитая жидкость, которую он назвал «виру­сом» (от лат. вирус - яд). Но яд оказался весьма странным: сила любого яда зависит от его концентрации, а вот вирус Бейеринка в любом разбавлении давал одинаковый результат. Да и источник яда оставался неизвестным.

В 1932 году профессор Уиндел Стенли (США) сумел из тонны пораженных листьев получить чайную ложку кристаллов. Натирая растворами этих кристаллов листья здоровых растений, он вызвал у них характерные заболевания. Но разве живые существа могут превра­щаться в кристаллы? Стенли делает вывод, что вирусы - это не живые существа, а белковые молекулы.

Лишь спустя семь лет с помощью электронного микроскопа уда­лось увидеть неуловимый вирус.

Строение вирусов

Все вирусы можно рассматривать как генетические элементы, одетые в защитную белковую оболочку и способные переходить из одной клетки в другую.

Отдельные вирусные частицы - вирионы - представляют сим­метричные тела, состоящие из повторяющихся элементов. В сердцеви­не каждого вириона находится генетический материал, представлен­ный молекулами ДНК и РНК. Велико разнообразие форм этих молекул: есть вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК в кольцевой или линей­ной форме; вирусы с одноцепочечной кольцевой ДНК; одноцепочечной или двухцепочечной РНК; содержащие две идентичные одноцепочечные РНК.

Генетический материал у вируса (геном) окружен капсидом - белковой оболочкой, защищающей его как от действия нуклеаз - фермен­тов, разрушающих нуклеиновые кислоты, так и от воздействия ультрафи­олетового излучения.

Вирусы - инфекционные агенты

Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию. Лишь попав в клетку, генетический материал вируса воспроизводится, переключая работу клеточных биохимических конвейеров на производство вирусных белков: как ферментов, необходи­мых для репликации вирусного гниения - всей совокупности его генов, так и белков оболочки вируса. В клетке же происходит сборка из нуклеиновых кислот и белков многочисленных потомков одного попавшего в нее вируса.

Изучение вирусов позволило не только установить причины мно­гих заболеваний, известных с глубокой древности, но и найти способы борьбы с ними.

Поселяясь в клетках живых организмов, вирусы вызывают многие опасные заболевания растений (мозаичная болезнь табака, томатов, огурцов; скручивание листьев и др.) и домашних животных (ящур, чума свиней и птиц и т. д.), что резко снижает урожайность культур и приводит к массовой гибели животных.

Вирусы вызывают опасные заболевания у человека (корь, оспа, полиомиелит и др.). В последние годы к ним прибавилось еще одно заболевание - СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита).

Рис. 91. Стафилококки и стрептококки в гное.

Рис. 92. Строение бактерии: 1. капсула, 2. клеточная стенка, 3. цитоплазмати-ческая мембрана, 4. протопласт, 5. базальное тельце жгутика, 6. жгутик, 7. пили, 8. нуклеоид (цепочка ДНК), 9. мезосомы, 10. рибосомы, 11.вакуоли и включения.

Полупроницаемая цитоплазматическая мембрана обеспечивает избирательное поступление веществ в клетку и выделение в окружающую среду продуктов обмена веществ, а также образует втягивание внутрь цитоплазмы – лизосомы. На мембранах лизосом располагаются окислительно-восстановительные ферменты, а у фотосинтезирующих бактерий – соответствующие пигменты, благодаря чему они способны выполнять функцию митохондрий, хлоропластов или аппарата Гольджи.

Тонкая и эластичная клеточная стенка, в состав которой входит муреин, придает бактериальной клетке определенную форму, защищает содержимое клетки от воздействия неблагоприятных факторов внешней среды и выполняет ряд других функций. Многие виды образуют слизистую капсулу.

В центральной части клетки находится нуклеид, содержащий одну замкнутую в цепочку ДНК, которая контролирует нормальный ход всех внутриклеточных процессов и является носителем генетической информации. Ядрышки у бактерий не обнаружены. Отсутствуют также митохондрии, хлоропласты, комплекс Гольджи и другие мембранные структуры, характерные для всех эукариотических клеток. Однако, в цитоплазме бактериальной клетки имеется огромное количество рибосом (иногда до 20 тыс.). У некоторых лишенных жгутиков водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли. Регулируя количество газов в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на её поверхность, а почвенные – передвигаться в капиллярах почвы.

Запасные вещества бактериальной клетки – полисахариды (крахмал, гликоген), жиры, полифосфаты.

Большинство бактерий бесцветны и только некоторые (зеленые и пурпурные) содержат в цитоплазме пигменты, подобные зеленому хлорофиллу и красному фикоэритрину.

Размножаются бактерии путем простого деления клетки надвое (рис. 93). Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение. В последнее время у некоторых бактерий обнаружены упрощенные формы полового процесса (например, у кишечной палочки) (рис.94).

Рис. 93. Деление грамположительной и грамотрицательной бактерий.

Рис.94. Конъюгация и перенос F-фактора: 1-репликация, перенос (2) и синтез 2-ой цепи (3). Внизу – микрофотография конъюгации бактерий.

Половой процесс напоминает конъюгацию, при которой происходит передача генетического материала из одной клетки в другую при их непосредственном контакте. После этого клетки разъединяются. Количество особей в результате полового процесса остается прежним, но происходит обмен их наследственным материалом, то есть осуществляется генетическая рекомбинация.

Небольшой группе бактерий свойственно спорообразование. При этом бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов: в ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность, цитоплазма сжимается и покрывается очень плотной оболочкой.

Споры обеспечивают возможность переносить неблагоприятные условия. Они выдерживают длительное высыхание, нагревание свыше 100 градусов и охлаждение почти до абсолютного нуля. В обычном же состоянии бактерии неустойчивы при высушивании, воздействии прямых солнечных лучей, повышении температуры до 65-80 градусов и т.д. В благоприятных условиях споры набухают и прорастают, образуя новую клетку бактерий.

Рис. 95. Спорообразующие бактерии.

Несмотря на постоянную гибель бактерий, эти примитивные организмы сохранились с древнейших времен благодаря способности к быстрому размножению, образованию спор, чрезвычайной устойчивости разного рода факторам внешней среды, и повсеместному распространению.

По типу питания бактерии делятся на две группы: автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. Реакции синтеза идут с потреблением энергии. В зависимости от того, какую энергию используют автотрофы для синтеза органических веществ, различают фото - и хемосинтезирующие бактерии.

По типу дыхания (по степени потребности в молекулярном кислороде) бактерии делятся на три группы:

Рис. 96. Современные виды микроорганизмов – палочковидные бактерии и кокки (микрофотография).

Вопросы:

1. Какое строение имеет бактериальная клетка?

2. Чем отличается бактериальная клетка от растительной клетки?

4. Как бактерии размножаются?

5. Что происходит с бактериями при наступлении неблагоприятных условий?

§27. Бактерии полезные для человека.

Микроорганизмы имеют большое значение для человека: во-первых, потому, что они играют важную роль в биосфере, во-вторых, потому, что их можно использовать в различных целях. Человек все больше и больше использует бактерии путем создания новых биотехнологий. Своими успехами биотехнология во многом обязана генетикам.

Рис. 97. Клетки Кишечной палочки

Бактерии и плодородие почвы .

Бактерии играют важную роль в плодородии почвы. Благодаря жизнедеятельности бактерий происходит разложение и минерализация органических веществ отмерших растений и животных. Образовавшиеся при этом простые неорганические соединения вовлекаются в общий круговорот веществ, без которого была бы невозможна жизнь на земле. Бактерии вместе с лишайниками, грибами, водорослями разрушают горные породы, участвую тем самым в начальных стадиях почвообразовательных процессов.

Особую роль в природе играют бактерии, способные связывать молекулярный азот, недоступный для высших растений. Населяя почву, такие бактерии обогащают ее азотом. К этой группе относят клубеньковые бактерии, поселяющиеся на корнях бобовых растений. Проникая через корневой волосок в корень, они вызывают сильное разрастание клеток корня в форме клубеньков. На первых порах бактерии живут за счет растения, а затем начинают фиксировать азот с последующим образованием аммиака, а из него нитритов и нитратов. Образовавшихся азотистых веществ достаточно и для бактерий, и для растений. Кроме того, часть нитритов и нитратов выделяется в почву, повышая ее плодородие.

Очистка сточных вод.

В очистных сооружениях бактерии играют почти такую же роль, как и в почве. Они также расщепляют органические вещества, превращая их в безвредные растворимые неорганические соединения.

Бытовые сточные воды предварительно разделяют в специальных отстойниках на жидкую часть и илистый осадок, которые затем перерабатывают в несколько этапов, используя аэробные и анаэробные бактерии.

Метан, образуемый анаэробными бактериями иногда используют как топливо для рабочих механизмов очистных сооружений. После очистки получают очищенную жидкость, которую спускают в реки.

Симбиотические бактерии.

Млекопитающие и другие животные не могут переваривать клетчатку, так как у них нет фермента целлюлозы. Основную же массу пищи, поедаемой травоядными животными, составляет клетчатка.

Однако у них в кишечнике живут симбиотические бактерии и простейшие, переваривающие клетчатку. У кроликов такие бактерии живут в слепой кишке и червеобразном отростке, у коров и овец - в рубце. Косвенным образом эти бактерии служат и человеку, поскольку он использует мясо домашних животных в пищу.

Самое непосредственное отношение к человеку имеет «микрофлора» его собственного кишечника. В кишечнике живут многие бактерии, некоторые из них синтезируют витамины В и витамины К.

Некоторые бактерии, живущие на коже человека предохраняют его от заражения полиогенными организмами.

Бактериальные симбионты человека составляют его нормальную микрофлору. Они живут в кишечнике, на коже, на слизистых, обеспечивая либо защиту (конкурентным способом не давая другим, зловредным, бактериям заселить эти участки), либо участвуя в переваривании пищи и синтезировании некоторых, необходимых человеку витаминов. Мы уже упоминали симбионта человека кишечную палочку. Всего к нормальной микрофлоре человека относится около 500 видов бактерий. Если убить всех бактерий на коже или в кишечнике человека, то ничего хорошего из этого не получится. Роль нормальной микрофлоры изучена на стерильных животных. В специальных условиях выращивают животных (крыс или мышей), и смотрят, что с ними происходит в отсутствии бактерий. Надо отметить, что живут они не очень хорошо. Таким образом, каждый реальный человек – это не просто представитель вида Homo sapiens , а целая коллекция различных организмов.

Половым путем также могут передаваться вирусы, например, вирус герпеса. Вирус герпеса вызывает образование пузырьков на коже, наполненных вирусными частицами ("лихорадку"). Среди населения западных стран 70-90% инфицированы вирусом герпеса, у 30% бывают высыпания, у 10% - генитальные формы заболевания. Половым путем могут передаваться вирусы иммунодефицита человека (вызывает СПИД - синдром прогрессирующего муунодефицита), гепатита В и С (поражают печень), папилломавирусы (вызвают разрастания кожного эпителия и образование бородаок; некоторые виды проводируют развитие рака).

Среди возбудителей заболеваний, передающихся половым путем, ранее других были описаны гонококк, бледная спирохета и эукариотический орагнизм трихомонада. Долгое время, ели у больного имелись признаки мочеполовой инфекции, но ни один из этих трех возбудителей не был выявлен, ему ставили диагноз "неспецифический уретрит". Однако во второй половине ХХ века были найдены возбудители "неспецифического" воспаления. К ним относятся гарднерелла, хламидия, уреаплазма, микоплазма и некоторые другие виды. Вызываемые ими заболевания отличаются тем, что часто проходят малосимптомно, остаются незамеченными носителем и переходят в хроническую форму. Хотя бы один из этих возбудителей встречаются у 30-50% людей, у части людей (имеющих несколько половых партнеров) можно обнаружить целый "букет" возбудителей. До сих пор некоторые врачи считают, что эти бактерии неопасны. Это, неверно, давно уже показано, что эти бактерии являются не только возбудителями мочеполовых инфекций, одним из самых тяжелых осложнений которых является бесплодие, но и ряда общих заболеваний, просто устоявшиеся представления меняются медленно.

Бактерия гарднерелла, вызывающее гарднереллез – воспалительное заболевание мочеполовых путей - была описана в середине двадцатого века. Гарднерелла немного крупнее гонококка, имеет характерное для прокариот строение. В препаратах, полученных от больных, клетки эпителия полового тракта выглядят как бы «приперченными»; эти перчинки - как раз и есть гарднереллы. Они также вызывают воспаление урогенитального тракта, и самым тяжелым последствием такого заболевания является бесплодие.

Перейдем к вирусам.

Вирусы не относятся к прокариотам. Иногда их выделяют в отдельное царство, иногда описывают вне царств природы. Существуют некоторые проблемы с классификацией вирусов, споры на тему, считать вирусы живыми или неживыми. Раньше вирусы считались наиболее простыми организмами, так как они самые маленькие, и в них меньше всего белков и ДНК, и полагали, что от вирусов произошли все остальные организмы. Но сейчас, когда установлено, что вирусы без клетки жить не могут, нет оснований думать, что они появились раньше клетки. Видимо, наиболее близко к истине представление о том, что вирусы – это "взбесившиеся" гены, т.е. это гены, которые стали автономными и приобрели систему собственного размножения.

Несмотря на все различия в форме и размерах, все вирусы образованы сходным образом. Все они покрыты белковой оболочкой и в их состав входит нуклеиновая кислота - РНК или ДНК. ДНК может быть кольцевой или линейной, РНК может быть одноцепочечной или двуцепочечной.

Рассмотрим строение частиц вируса на примере вируса герпеса. Белковая оболочка вируса, называемая нуклеокапсид, построена из белков и представляет правильный шестигранник. Вокруг имеется оболочка, которую вирус сторит из кусков клеточных мембран, которые организм не атакует, так как это мембраны его собственных клеток. Правда, эти мембрана инкрустирована вирусными белками, поэтому иммунная система вирус герпеса все-таки может распознать. «Заворачивание» в мембрану – это способ защиты вируса. Внутри белкового шестигранника находится линейная двуспиральная молекула ДНК. Ниже на рисунке справа изображена клетка, «нафаршированная» частицами созревающего вируса. Вирус герпеса размножается в клетках кожного эпителия, но при размножении частицы вируса инфицируют нервы, и по нерву вирус проникает в спинной мозг. Там вирусная ДНК встраивается в геном клеток корешков спинного мозга, поэтому, раз инфицировавшись, человек несет в себе вирусную ДНК. Излечить его навсегда невозможно, разве что вместе с клетками спинного мозга удалить. Время от времени геномные копии могут синтезировать новые вирусные ДНК. Но если у человека хорошо работает имунная система, то у него имеются антитела, защищающие его от этого вируса. Эти антитела не дают вирусу выбраться из своего укрытия. Но при ослаблении иммунной системы, например, при простуде, титр антител в крови падает, вирусы выходят из клеток спинного мозга и по нерву добирается до кожного эпителия, и там он уже начинает размножаться. Поэтому пузырьки, высыпающие в тех местах, через которые вирус попал в организм – чаще всего на лице, на губах – называют "простудой".

Близким родственником вируса герпеса является вирус ветрянки. Ветрянкой человек болеет один раз в жизни, обычно в детстве. Все тело ребенка покрывается герпетическими пузырьками; потом вирус ветрянки также поселяется в спинном мозге, и активация вируса вызывает воспаление нервов и высыпания на кожи, которые называются опоясывающий лишай. Процесс довольно болезненный и может лишить человека работоспособности на месяц.

Папилломавирус гораздо более мелкий, по сравнению с вирусом герпеса. Принципиально строение такое же. Передается при непосредственном контакте, в том числе при половом контакте. Папилломавирус довольно распространен; он вызывает разрастание эпителия (образуются бородавки и папилломы). Некоторые штаммы этого вируса онкогенны – они вызывают рак шейки матки у женщин. То есть, это форма рака, передающаяся половым путем. Сейчас разработаны вакцины, предохраняющие человека от этой формы рака.

Вирус иммунодефицита человека

Ниже на рисунке представлена модель и фотография вируса иммунодефицита челвоека (ВИЧ). Вирус вызывает синдром прогрессирующего иммунодефицита (СПИД). Вирусная частица содержит несколько белковых оболочек, внутри которых находятся две молекулы вирусной РНК. Этот вирус поражает лимфоциты, клетки, защищающие организм от инфекции. Разрушая лимфоциты, он лишает человека иммунной защиты против различных инфекций. Именно сопутствующие инфекции или опухоли, которые развиваются из-за ослабления иммунной защиты, являются причиной смерти больных СПИДом.

Жизненный цикл вируса иммунодефицита человека характерен и для других вирусов, содержащих РНК, и встраивающих свой РНК-овый геном в геном хозяина.

Можно выделить следующие стадии:

Вирус прикрепляется к рецепторам на поверхности клетки.

Вирус проникает внутрь клетки с помощью этих рецепторов и "раздевается" - снимает с РНК белковую оболочку.

На вирусной РНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы) синтезирует на РНК копию ДНК. Ревертаза входит в состав вирусной частицы. Сначала синтезируется одна нить ДНК, потом РНК в этом комплексе разрушается РНКазой, и синтезируется вторая нить ДНК.

ДНК-копия вирусного генома проникает в ядро и встраивается в геном клетки. После этого вирус может там существовать несколько лет, ничем себя не проявляя. Это называется латентной фазой.

На встроенной в геном хозяина вирусной ДНК происходит транскрипция, синтезируются вирусные белки. Они запускают процессы, необходимые для обработки РНК и превращения ее в форму, которая входит в состав вирусных частиц. Затем происходит сборка инфекционных частиц.

Новые вирусные частицы выходят из клеток. После некоторого преобразования белков, входящих в состав варионов, частица становится инфекционной ("созревает"), и цикл может повториться опять.

Вероятность заражения ВИЧ при однократном воздействии

Сексуальные контакты (вагинальные, анальные, оральные) 1,0%

Переливание крови и препаратов из неё > 90%

Парентерально (загрязнённые медицинские и др. инструменты) от 1,0% до 90%

Ранения медперсонала загрязнёнными инструментами < 0,5 %

Перинатальное (беременность, роды) инфицирование от 2-5% до 30%

Защитные средства.

Небактериальные инфекции урогенитального тракта

Кроме бактериальных инфекций половым путем передаются также заболевания, вызываемые эукариотическими организмами – простейшими и грибами. К наиболее распространенным грибковым инфекциям, передающимся половым путем, относится кандидоз (молочница) – взывается дрожжеподобным грибком рода Candida.

Воспаление мочеполового тракта вызвает трихомонада – простейшее одноклеточное. Как и все эукариоты, трихомонада имеет ядро, но, что интересно, у нее нет митохондрий. Энергообеспечивающие органеллы трихомонады называются гидрогеносомами. Они выделяют молекулярный водород и эффективны при недостатке кислорода, когда аэробное дыхание малодоступно. Гидрогеносомы являются эволюционными производными митохондрий, и это доказано тем, что в них нашли ДНК. Кроме трихомонад, их содержат некоторые другие простейшие.

Трихомонада способна поглощать другие микроорганизмы. На фотографии внизу изображена трихомонада с гонококками, которые она захватила. Она при этом защищает их от действия антибиотиков, поэтому врач всегда учитывает, какое сочетание возбудителей обнаружено. Вначале нужно вылечить трихомоноз, и только затем бактериальные инфекции.

Лечат эти инфекции с помощью антибиотиков. Первым был выделен антибиотик из плесневого гриба пенициллум. Открытие сделал в конце 1920-х гг. Александр Флеминг, сотрудинк лаборатории при больнице в Лондоне (Нобелевская премия по медицине 1945). Антибиотик назвали пенициллином, его применение спасло жизни многих людей. Пенициллин действует на мембраны бактерий. Он относится к классу бета-лактамных антибиотиков. В молекуле этих антибиотиков есть так называемая лактамное кольцо. Оно имитирует элемент бактериальной клеточной стенки, поэтому ферменты, которые строят клеточную стенку, связываются с молекулой антибиотика и ингибируются. В клеточной стенке бактерии появляются "дыры", и клетка может просто лопнуть. К антибиотикам этой группы относятся также цефалоспорины.

Антибиотики других групп, в том числе тетрациклин, блокируют разные этапы синтеза белков на мРНК. Они действуют только на мелкие прокариотические рибосомы. У человека, также как и у других эукариотических организмов, рибосомы крупные. Но в митохондриях содержатся рибосомы прокариотического типа, и поэтому этот класс антибиотиков повреждает митохондрии. Обычно в первую очередь страдают митохондрии в клетках, работающих в среднем ухе, поэтому в качестве осложнений при лечении такими атибиотиками может развиться глухота. При лечении необходимо соблюдать рекомендованные дозы лекарства, и не использовать один за другим несколько антибиотиков с одинаковым побочным действием.

Противогрибковые антибиотики воздействуют на мембрану клеток грибов, поскольку грибы – это эукариоты, и на рибосомы у них воздействовать трудно. Мембраны у них отличаются от мембран человеческих клеток, поэтому можно блокировать ее синтез.

Список литературы

М.В. ГУСЕВ, Л.А. МИНЕЕВА. МИКРОБИОЛОГИЯ учебник для студентов биологических специальностей университетов ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1992 (http://phm.bio.msu.ru/edocs/micro/index.html)

Информация по ЗППП (http://www.primer.ru/std/gallery_std/)

Мокеева Т.М. Заболевания, передающиеся половым путем. Биология в школе, 1996, №2.

"Любовь земная ", Энциклoпедия "ABAНТА", том "Человек" (PDF, 274 Кб)

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://bio.fizteh.ru

У многих небобовых растений, как древесных и кустарниковых, так и травянистых, также существуют корневые кдубеньки, способные связывать молекулярный азот. Фиксация азота в таких случаях, как и у бобовых, основана на симбиозе с прокариотами. У древесной и кустарниковой растительности клубеньки чаше всего образуются азотфиксирующими актиномицетами, у травянистой - бактериями. В большинстве случаев симбионтами деревьев и кустарников служат актиномицеты рода Frankia (рис. 49). Это аэробные организмы с септированным мицелием, образующим спорангии.

Известны 17 родов древесных и кустарниковых покрытосеменных растений, образующих с Frankia клубеньки. Они относятся к порядкам Casuarinales, Coriariales, Fagales, Cucurbitales, Myricales , Rhamnales и Rosales. Среди растений, которые весьма эффективно связывают азот, казуарина (Casuarina ), ольха (Alnus ), облепиха {Hip- pophae), менее эффективны в этом отношении восковница {Myrica), куропаточья трава (Dryas), лох (Elaeagnus) и шефердия {Shepherdia).

Корневые клубеньки древесных растений довольно крупные, обычно они формируются на боковых корнях. Клубеньки бывают двух типов - коралловые (густые сплетения корней, разветвленных наподобие кораллов) и с прорастающими через дольки клубенька корнями (рыхлый пучок утолщенных корней), направленными

Рис. 49. Влияние заражения актиномицетами рода Frankia на рост ольхи: А. В - растения, инфицированные Frankia ; Ь - незараженное растение (no: С. О. Суэтин) вверх. Первый тип клубеньков наблюдается у ольхи и облепихи, второй - у казуарины. Установлено, что азотфиксирующие актино- мицеты обладают определенной специфичностью к растениям. Например, одна группа Frankia заражает ольху, восковник и «сладкий» папоротник (компония), другая - лох, облепиху и шефердию.

Актиномицеты-симбионты способны инфицировать только паренхимные клетки коры корня. Как и при заражении бобовых, микроорганизм проникает в корни из почвы через корневые волоски, которые в результате скручиваются. В месте инфицирования стенки корневого волоска утолщаются и гифы, проникшие внутрь клетки, покрываются толстым чехлом. По мере продвижения гиф по корневым волоскам чехол утоньшается, и вокруг гиф формируется капсула, которая, как считают, образуется как растением, так и актиномиистом.

Из корневого волоска гифы проникают в эпидермис и кору корня, вызывая деление и гипертрофию инфицированных клеток. Как правило, клубки гиф заполняют центр клеток растения, у клеточных стенок происходит расширение и деление концов гиф, в последнем случае формируются специфичные структуры, так называемые везикулы (рис. 50). В клубеньках образуется вещество, подобное леггемоглобину бобовых растений. В конце вегетации везикулы деградируют, но в клетках растений сохраняются гифы, зара-

Рис. 50. Везикулы, образованные мицелием Frankia в клубеньках ольхи (по: И. Гарднер) жаюшие весной новые ткани. Обычно при симбиозе с небобовыми растениями энергия азотфиксации актиномицетами рода Frankia больше, чем у клубеньковых бактерий бобовых растений.

Клубеньки обнаружены у большой группы травянистых растений - злаковых, осоковых, лютиковых и др. В клубеньках этих растений выявлены микробные ассоциации, состоящие из двух-трех видов микроорганизмов, которые представлены грамположительными и грамотрицательными бактериями. Установлено, что в клубеньках осуществляется азотфиксация, однако роль отдельных бактерий в нем пока не определена.

В последнее время из клубеньков на растениях, не относящихся к бобовым, - тропическом кустарнике Trema orientalis (семейство крапивных) и близком к нему Parasponia parviflora - выделены бактерии, близкие к клубеньковым бактериям бобовых. Указанные бактерии способны заражать бобовые растения и образовывать клубеньки. Их относят к роду Rhizobium. Из клубеньков на листьях тропических кустарников Pavetta и Psychotria выделены азотфиксирующие бактерии, отнесенные к роду Klebsiella (Klebsiella rubacearum). Листовые клубеньки также обогащают растение азотом. Поэтому в Индии, Шри-Ланке и других странах листья Pavetta используют как зеленое удобрение.

Азотфиксирующие симбионты обогащают почву азотом в следующей степени: однолетние бобовые (фасоль, соя, вика, бобы, горох, чечевица) накапливают 40-110 кг/га азота в год), многолетние (клевер, люцерна) - 150-220, тропическое бобовое - Sesbania ros- trata - от 324 (сухой сезон) до 458 (влажный сезон), небобовые растения - 150-300 кг/га азота в год.