МИКРОБИОЛОГИЯ Учебное пособие - 2012

ГЛАВА 2. ПОЛОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В СИСТЕМЕ ЖИВОГО МИРА

До середины XIX в. все организмы, населяющие планету, по структурным и функциональным признакам подразделялись на два царства: растения (Plantae) и животные (Animalia).

С изобретением светового микроскопа постепенно накапливалась информация о существовании простейших одноклеточных организмов, невидимых человеческим глазом, признаки которых не укладывались в критерии двух вышеуказанных царств. В связи с этим Э. Геккель в 1866 г. предложил выделить эти организмы в третье царство — протестов (Protista) (от греч. protos — самый простой). К этому царству он отнес все организмы, имеющие малые размеры и относительно простую биологическую организацию: микроскопические грибы (дрожжи и плесени), одноклеточные водоросли, простейшие и бактерии.

Однако с конца XIX в. стали накапливаться сведения о различии в строении клеток разных микроорганизмов, входящих в группу протестов, что повлекло за собой деление их на высшие и низшие. На основании молекулярно-биологической организации клеток Р. Меррей в 1968 г. предложил все клеточные организмы разделить на две группы:

• высшие — эукариоты (приставка эу- означает «истинный, настоящий», kаryоn — ядро), клетки которых сходны с животными и растительными клетками;

• низшие — прокариоты (приставка про- означает «простой»), которые по строению своих клеток существенно отличаются от всех других организмов.

Из микроорганизмов к эукариотам относятся микроскопические водоросли, грибы, простейшие. К прокариотам относятся бактерии, в том числе риккетсии, актиномицеты, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Впоследствии Р. Виттэкером была предложена схема, по которой все живые организмы, имеющие клеточное строение, разделены на пять царств (рис. 1).

image1

Рис. 1. Схема пяти царств живого мира (по Whittaker, 1969)

Многоклеточные эукариоты представлены тремя царствами — животные, растения и грибы. Представители этих царств различаются по способу питания. Животные осуществляют питание путем захватывания и переваривания пищи — голозойный тип питания; для растений характерен фотосинтез и соответственно фототрофный тип питания; грибы питаются в основном растворенными органическими веществами — осмотрофный тип питания.

Царство протистов объединяет в большинстве своем микроскопические одноклеточные организмы с эукариотным строением клетки — простейшие и одноклеточные водоросли.

Царство Моnеrа включает прокариотные организмы и представлено многочисленным и разнообразным миром бактерий. Возраст наиболее древних бактерий насчитывает по меньшей мере 3—3,5 млрд лет. Другие бактерии, как считают ученые, появились сравнительно недавно. В настоящее время различные представители мира микробов встречаются практически во всех экологических нишах нашей планеты. Они выделены изо льдов Арктики и Антарктиды, из нефтяных скважин, горячих источников, образцов почвы разных пород. Многие микроорганизмы паразитируют в организме человека и животных, вызывая при этом различные заболевания.

Особое место среди микроорганизмов занимают вирусы (от лат. virus — яд). Вирусы не имеют клеточного строения, не способны размножаться самостоятельно и выделены в отдельную группу организмов, репродукция которых может происходить только внутри живых клеток. Все вирусы объединены в царство Vira.

Основными структурными элементами каждой живой клетки являются ДНК, РНК, цитоплазма, цитоплазматическая мембрана, запасные питательные вещества. Развитие электронной микроскопии дало возможность изучить тонкое строение различных типов клеток, что позволило выявить ряд существенных различий в клеточном строении прокариот и эукариот. Структурные различия в строении прокариотических и эукариотических клеток отражают важные различия в механизмах осуществления их жизненных функций: передаче и проявлении генетической информации, энергетическом обмене, метаболических процессах. Сопоставление некоторых черт организации про- и эукариотической клеток приведено в табл. 1.

Таблица 1. Некоторые различия клеточной организации прокариот и эукариот

Признак

Клетка прокариот

Клетка эукариот

Организация генетического материала

Нуклеоид. ДНК замкнута в кольцо и не отделена от цитоплазмы мембраной

Ядро с ядрышком, отделенное от цитоплазмы мембраной

Митоз (деление ядра)

Отсутствует

Имеется

Локализация неядерной ДНК

В цитоплазме — плазмиды

В митохондриях

Локализация ферментов дыхательной цепи

В цитоплазматической мембране

В митохондриях

Цитоплазматические органеллы, отделенные от цитоплазмы мембраной

Отсутствуют

Митохондрии, лизосомы, хлоропласты, комплекс Гольджи и др.

Тип рибосом

70S

80S

Состав клеточной стенки

Пептидогликан

муреин

Полисахариды

Движение цитоплазмы

Отсутствует

Часто наблюдается

Жгутики

Построены из белковых субъединиц, образующих спираль

Содержат набор микротрубочек, собранных в группы (2 х 9) + 2

Сухая масса клетки, г

10-15...10-11

10-11...10-7

Эукариотическая клетка характеризуется сложным строением. Она имеет истинное ядро с ядрышком, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. В ядре содержится набор хромосом, постоянный для каждого вида организмов. Хромосомы в процессе митоза удваиваются и распределяются между дочерними клетками. В хромосомах ДНК связана с основными белками — гистонами. В клетке имеются и другие органеллы, содержащие кольцевые ДНК небольшого размера (митохондрии и хлоропласты). В цитоплазме клетки сосредоточены органеллы, отделенные от цитоплазмы элементарными мембранами: вакуоли, митохондрии, хлоропласты, лизосомы, аппарат Гольджи.

Рибосомы эукариот имеют константу седиментации 80S. Сеть мембран (эндоплазматический ретикулум) разделяет клетку на отдельные участки.

В прокариотической клетке отсутствует истинное ядро. Ядерный аппарат, называемый нуклеоидом, представляет собой гигантскую кольцевую молекулу ДНК, расположенную непосредственно в цитоплазме. Эта так назывемая «бактериальная хромосома» содержит всю генетическую информацию клетки. Кроме того, в цитоплазме клетки могут содержаться очень небольшие кольцевые молекулы ДНК — плазмиды. Прокариоты не содержат митохондрий, хлоропластов и других органелл, характерных для эукариот. Рибосомы у них меньше, чем у прокариот, энергетические центры клетки находятся в плазматической мембране, мезосомах, хроматофорах или тилакоидах.

Имеется существенная разница и в химическом составе клеточных стенок прокариот и эукариот. Основным веществом клеточной стенки прокариотической клетки является пептидогликан муреин, тогда как клеточная стенка эукариотической клетки состоит в основном из полисахаридов.

Прокариоты рассматриваются как реликтовые формы, появившиеся на первых этапах биологической эволюции и приспособившиеся к существованию в анаэробных условиях, когда на Земле еще не было кислорода. Несмотря на простоту организации клетки, прокариоты в процессе развития приобрели разносторонние физиолого-биохимические функции, которые обеспечивают разнообразие метаболических путей и вследствие этого — широкое распространение в природе. Развитие эукариотов произошло значительно позднее — с появлением кислорода в атмосфере, что рассматривается как гигантский скачок в эволюции организмов, проявившийся в усложнении строения клетки и морфологической дифференциации.