Систематика микроорганизмов. Морфология и строение микробов

Следует отметить, что в последнее время  изучается рекомбинация отдельных  видов бактерий и актиномицетов. Это явление напоминает гибридизацию у высших организмов. Установлено, что при контакте клеток (чаще дефектных) двух разных штаммов бактерий или актиномицетов свойства одного штамма переходят к другому. В результате получаются смешанные формы с признаками двух исходных культур. Такой процесс происходит между двумя родственными организмами.         

В микробиологии  может с успехом применяться  филогенетический метод определения  вида. Метод экспериментальной изменчивости дает возможность установить не только вариабильность и полиморфизм культур, но и по образовавшимся вариантам судить о родстве сопоставляемых культур.         

В медицинской  бактериологической практике широко применяется  серологический метод (метод, с помощью  которого изучаются антитела и связанные  с ними реакции иммунитета — обезвреживание токсинов, агглютинация микробов и др.) для диагностицирования патогенности бактерий. Этот метод очень чувствителен, с его помощью выявляются штаммы, очень близкие между собой.         

Тем не менее серологический метод не используется для систематики бактерий в той мере, как это следовало бы ожидать. В большинстве случаев при помощи его не удается выявлять или разделять виды. Многочисленные попытки в этом направлении дают противоречивые результаты, явно не согласующиеся с показателями, полученными другими методами. Серологический метод наиболее хорошо разработан для дифференцирования бактерий кишечной группы.         

Для идентификации  видов бактерий и актиномицетов  микробиологи пытаются применить метод  фаголизиса. Он основан на способности  фагов лизировать (разрушать) клетки определенных видов бактерий. Имеются поли- и моновалентные фаги. Для дифференцирования видов пригодны только моновалентные фаги, которые обладают строгой специфичностью.          

В фитопатологии  для установления видов применяют  паразитологический и токсикологический методы. Известно, что многие паразитические организмы — бактерии и грибы — строго специализированы в отношении выбора хозяина, поражают только определенные виды растений. У некоторых микроорганизмов эта специфика настолько тонкая и постоянная, что по ней можно определить вид.         

Важным  видовым показателем, по нашим наблюдениям, является специфика антагонизма. Микробы-антагонисты  обладают способностью подавлять рост других микробов продуктами метаболизма  — антибиотическими веществами. Антагонизм между культурами одного и того же вида не наблюдается. Этот признак весьма показателен, строго постоянен и легко воспроизводим. При помощи метода, в котором используется антагонизм микроорганизмов, удается выявить виды, не дифференцирующиеся другими способами.         

В ботанической литературе часто употребляются  термины «поливалентные» и «моновалентные»  виды. Моновалентные виды представлены единичными формами или одной-единственной культурой, а поливалентные состоят  из большого числа соподчиненных единиц: разновидностей, вариантов, форм и формирований.          

У многих видов бактерий поливалентность  видов не обнаружена вследствие того, что мы не имеем достаточно основательных  признаков для установления видов  и, следовательно, разновидностей, форм и вариантов. Возможно, что у бактерий вообще нет моновалентных видов, состоящих из одного штамма. Более широко распространены в природе поливалентные виды.         

Многие  поливалентные формы по количественному  составу и разнообразию форм, составляющих их, выходят за рамки объема вида и становятся надвидами, т. е. такими таксономическими группами, которые занимают промежуточное положение между родом и видом.         

Итак, в  мире бактерий существуют совершенно определенные виды как реально существующие таксономические единицы, а не вымышленные схемы. Понятие вида мы можем сформулировать так: вид — это группа близких между собой организмов, имеющих общий корень происхождения и на данном этапе эволюции характеризующихся определенными морфологическими, биохимическими и физиологическими признаками, обособленных отбором от других видов и приспособленных к определенной среде обитания. 

     1. Систематика микроорганизмов 

Таксономия - наука о методах и принципах распределения (классификации) организмов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто используют следующие таксономические единицы (таксоны)- штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны - семейство, порядок, класс.  
В современном представлении вид в микробиологии - совокупность микроорганизмов, имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генетической гомологии, как правило более 60%) и максимально близкие фенотипические характеристики.  
Нумерическая (численная) таксономия основывается на использовании максимального количества сопоставляемых признаков и математическом учете степени соответствия. Больщое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняло классификацию.  
При изучении, идентификации и классификации микроорганизмов чаще всего изучают следующие(гено-ифенотипические) характеристики:  
1. Морфологические - форма, величина, особенности взаиморасположения, структура.  
2. Тинкториальные - отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму. По этому признаку все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные.  
Морфологические свойства и отношение к окраску по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микроорганизм к крупным таксонам- семейству, роду.  
3. Культуральные - характер роста микроорганизма на питательных средах.  
4. Биохимические - способность ферментировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др.), образовывать в процессе жизнедеятельности различные биохимические продукты за счет активности различных ферментных систем и особенностей обмена веществ.  
5. Антигенные - зависят преимущественно от химического состава и строения клеточной стенки, наличия жгутиков, капсулы, распознаются по способности макроорганизма (хозяина) вырабатывать антитела и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунологических реакциях.  
6. Физиологические- способы углеводного (аутотрофы, гетеротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дыхания (аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы).  
7. Подвижность и типы движения.  
8. Способность к спорообразованию, характер спор.  
9. Чувствительность к бактериофагам, фаготипирование.  
10. Химический состав клеточных стенок - основные сахара и аминокислоты, липидный и жинокислотный состав.  
11. Белковый спектр (полипептидный профиль).  
12. Чувствительность к антибиотикам и другим лекарственным препаратам.  
13. Генотипические (использование методов геносистематики).  
В последние десятилетия для классификации микроорганизмов, помимо их фенотипических характеристик (см. пп.1 - 12), все более широко и эффективно используются различные генетические методы (изучение генотипа - генотипических свойств). Используются все более совершенные методы - рестрикционный анализ, ДНК - ДНК гибридизация, ПЦР, сиквенс и др. В основе большинства методов лежит принцип определения степени гомологии генетического материала (ДНК, РНК). При этом чаще исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60% ( для некоторых групп микроорганизмов- 80%) свидетельствует о принадлежности микроорганизмов к одному виду (различные генотипы - один геновид), 40- 60%- к одному роду.  
Идентификация.  
Основные фено- и генотипические характеристики, используемые для классификации микроорганизмов, используются и для идентификации, т.е. установления их таксономического положения и прежде всего видовой принадлежности- наиболее важного аспекта микробиологической диагностики инфекционных заболеваний. Идентификация осуществляется на основе изучения фено- и генотипических характеристик изучаемого инфекционного агента и сравнения их с характеристиками известных видов. При этой работе часто применяют эталонные штаммы микроорганизмов, стандартные антигены и иммунные сыворотки к известным прототипным микроорганизмам. У патогенных микроорганизмов чаще изучают морфологические, тинкториальные, культуральные, биохимические и антигенные свойства.  
Номенклатура - название микроорганизмов в соответствии с международными правилами. Для обозначения видов бактерий используют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры- Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.  
В микробиологии часто используется и ряд других терминов для характеристики микроорганизмов.  
Штамм - любой конкретный образец (изолят) данного вида. Штаммы одного вида, различающиеся по антигенным характеристикам, называют серотипами (серовариантами- сокращенно сероварами), по чувствительности к специфическим фагам - фаготипами, биохимическим свойствам - хемоварами, по биологическим свойствам - биоварами и т.д.  
Колония- видимая изолированная структура при размножении бактерий на плотных питательных средах, может развиваться из одной или нескольких родительских клеток. Если колония развилась из одной родительской клетки, то потомство называется клон.  
Культура- вся совокупность микроорганизмов одного вида, выросших на плотной или жидкой питательной среде.  
Основной принцип бактериологической работы - выделение и изучение свойств только чистых(однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Морфология бактерий 

Прокариоты  отличаются от эукариот по ряду основных признаков.

     1. Отсутствие истинного дифференцированного  ядра (ядерной мембраны).

     2. Отсутствие развитой эндоплазматической сети, аппарата Гольджи.

     3. Отсутствие митохондрий, хлоропластов, лизосом.

     4. Неспособность к эндоцитозу (захвату  частиц пищи).

     5. Клеточное деление не связано  с циклическими изменениями строения  клетки.

     6. Значительно меньшие размеры  (как правило). Большая часть бактерий имеет размеры 0,5- 0,8 микрометров (мкм) х 2- 3 мкм.

По  форме выделяют следующие  основные группы микроорганизмов.

     1.Шаровидные  или кокки ( с греч.- зерно).

     2.Палочковидные.

     3.Извитые.

     4.Нитевидные.

Кокковидные бактерии (кокки) по характеру взаиморасположения после деления подразделяются на ряд вариантов.

     1. Микрококки. Клетки расположены  в одиночку. Входят в состав  нормальной микрофлоры, находятся  во внешней среде. Заболеваний  у людей не вызывают.

     2. Диплококки. Деление этих микроорганизмов происходит в одной плоскости, образуются пары клеток. Среди диплококков много патогенных микроорганизмов- гонококк, менингококк, пневмококк.

     3. Стрептококки. Деление осуществляется  в одной плоскости, размножающиеся  клетки сохраняют связь (не расходятся), образуя цепочки. Много патогенных микроорганизмов- возбудители ангин, скарлатины, гнойных воспалительных процессов.

     4. Тетракокки. Деление в двух взаимоперпендикулярных  плоскостях с образованием тетрад (т.е. по четыре клетки). Медицинского значения не имеют.

     5. Сарцины. Деление в трех взаимоперпендикулярных  плоскостях, образуя тюки (пакеты) из 8, 16 и большего количества клеток. Часто обнаруживают в воздухе.

     6. Стафилококки (от лат.- гроздь винограда). Делятся беспорядочно в различных  плоскостях, образуя скопления, напоминающие грозди винограда. Вызывают многочисленные болезни, прежде всего гнойно-воспалительные.

Палочковидные формы микроорганизмов.

     1.Бактерии- палочки, не образующие спор.

     2.Бациллы-  аэробные спорообразующие микробы.  Диаметр споры обычно не превышает размера (“ширины”) клетки (эндоспоры).

     3.Клостридии- анаэробные спорообразующие микробы.  Диаметр споры больше поперечника  (диаметра) вегетативной клетки, в  связи с чем клетка напоминает  веретено или теннисную ракетку.

     Необходимо  иметь в виду, что термин “бактерия” часто используют для обозначения всех микробов- прокариот. В более узком (морфологическом) значении бактерии- палочковидные формы прокариот, не имеющих спор.

Извитые формы микроорганизмов.

     1.Вибрионы  и кампилобактерии- имеют один изгиб, могут быть в форме запятой, короткого завитка.

     2.Спириллы- имеют 2- 3 завитка.

     3.Спирохеты-  имеют различное число завитков, аксостиль- совокупность фибрилл,  специфический для различных  представителей характер движения  и особенности строения (особенно концевых участков). Из большого числа спирохет наибольшее медицинское значение имеют представители трех родов- Borrelia, Treponema, Leptospira.

     Характеристика  морфологии риккетсий, хламидий, микоплазм, более подробная характеристика вибрионов и спирохет  будет дана в соответствующих разделах частной микробиологии.

     Данный  раздел завершаем краткой характеристикой (ключем) для характеристики основных родов микроорганизмов, имеющих  медицинское значение, на основе критериев, применяемых в определителе бактерий по Берджи (Berge).

 
 
 
 
 

     3. Строение бактериальной  клетки 

     Обязательными органоидами являются: ядерный аппарат, цитоплазма, цитоплазматическая мембрана.

     Необязательными (второстепенными) структурными элементами являются: клеточная стенка, капсула, споры, пили, жгутики.

     1. В центре бактериальной клетки  находится нуклеоид - ядерное образование,  представленное чаще всего одной  хромосомой кольцевидной формы.  Состоит из двухцепочечной нити  ДНК. Нуклеоид не отделен от  цитоплазмы ядерной мембраной.

     2. Цитоплазма- сложная коллоидная система, содержащая различные включения метаболического происхождения (зерна волютина, гликогена, гранулезы и др.), рибосомы и другие элементы белоксинтезирующей системы, плазмиды (вненуклеоидное ДНК), мезосомы (образуются в результате инвагинации цитоплазматической мембраны в цитоплазму, участвуют в энергетическом обмене, спорообразовании, формировании межклеточной перегородки при делении).

     3. Цитоплазматическая мембрана ограничивает  с наружной стороны цитоплазму, имеет трехслойное строение и выполняет ряд важнейших функций- барьерную (создает и поддерживает осмотическое давление), энергетическую (содержит многие ферментные системы- дыхательные, окислительно- восстановительные, осуществляет перенос электронов), транспортную (перенос различных веществ в клетку и из клетки).

     4. Клеточная стенка- присуща большинству  бактерий (кроме микоплазм, ахолеплазм  и некоторых других не имеющих  истинной клеточной стенки микроорганизмов). Она обладает рядом функций,  прежде всего обеспечивает механическую защиту и постоянную форму клеток, с ее наличием в значительной степени связаны антигенные свойства бактерий. В составе - два основных слоя, из которых наружный- более пластичный, внутренний- ригидный.

     Основное  химическое соединение клеточной стенки, которое специфично только для бактерий- пептидогликан (муреиновые кислоты). От структуры и химического состава клеточной стенки бактерий зависит важный для систематики признак бактерий- отношение к окраске по Граму. В соответствии с ним выделяют две большие группы- грамположительные (“грам+”) и грамотрицательные (“грам - “) бактерии. Стенка грамположительных бактерий после окраски по Граму сохраняет комплекс йода с генциановым фиолетовым (окрашены в сине- фиолетовый цвет), грамотрицательные бактерии теряют этот комплекс и соответствующий цвет после обработки и окрашены в розовый цвет за счет докрашивания фуксином.

     Особенности клеточной стенки грамположительных  бактерий.

     Мощная, толстая, несложно организованная клеточная  стенка, в составе которой преобладают пептидогликан и тейхоевые кислоты, нет липополисахаридов (ЛПС), часто нет диаминопимелиновой кислоты.

     Особенности клеточной стенки грамотрицательных  бактерий.

     Клеточная стенка значительно тоньше, чем у  грамположительных бактерий, содержит ЛПС, липопротеины, фосфолипиды, диаминопимелиновую кислоту. Устроена более сложно- имеется внешняя мембрана, поэтому клеточная стенка трехслойная.