Современное учение о происхождении микроорганизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

- 15 -

Зарождение жизни на Земле

Микроорганизмы - одни из древнейших живых существ, однако некоторые исследователи полагают, что им предшествовали неклеточные формы жизни. Считается, что развитие животного мира шло от простых к более сложноустроенным организмам.

У истоков жизни на Земле, по-видимому, была рибонуклеиновая кислота (РНК). Она универсальна: является носителем генетической информации, выполняет функцию биологического катализатора (фермента), может самокопироваться и т.д. Вначале появились вирусы (РНК - содержащие, потом ДНК - содержащие) и другие микроорганизмы (анаэробные гетеротрофы и аэробные автотрофы), растения и, наконец, животные.

Как полагают, жизнь на Земле возникла 700 млн лет назад, а возможно, и раньше. В такой среде могли существовать археобактерии, которые сохраняют жизнеспособность при температуре 100-105°С. Не исключена возможность занесения простоустроенных существ из Вселенной. В течение длительного времени происходило изменение атмосферы и климата. Появлялись растения и вездесущие цианобактерии (сине - зеленые водоросли.

После открытия А. ван Левенгуком микроорганизмов именно они стали основным объектом спора о зарождении жизни, поскольку логичным представлялось, что в первую очередь к самозарождению способны наиболее примитивно устроенные живые существа. Английский натуралист Дж. Нидхем (1713-1781) поставил серию опытов, которые сводились к тому, что он готовил в стеклянных колбах разные настои, кипятил их в течение нескольких минут, затем закрывал обычными пробками. Через несколько дней в сосудах появлялись микроорганизмы. Это привело Нидхема к заключению о спонтанном возникновении микроорганизмов из неживого органического вещества, т.е. о возможности самопроизвольного зарождения на уровне низших живых существ.

Опыты Дж. Нидхема повторил итальянский естествоиспытатель Л. Спалланцани (1729-1799). Его опыты внешне не отличались от опытов Нидхема, за исключением того, что Спалланцани закрывал сосуд пробкой не после, а до кипячения, а само кипячение длилось не несколько минут, как в опытах Нидхема, а значительно дольше - от 30 мин до 1 ч. В таких сосудах после выдерживания в течение нескольких дней не было обнаружено никаких микроорганизмов. Л. Спалланцани сделал вывод, что в опытах Дж. Нидхема микроорганизмы в настоях появлялись, или попадая туда из воздуха (поскольку сосуды закрывали обычными пробками после кипячения), или погибали не все первоначально содержавшиеся в настоях клетки из-за недостаточно длительного кипячения. (В первую очередь это относится к наиболее термоустойчивым формам бактерий - спорам.) Л. Спалланцани под микроскопом удалось наблюдать деление микроба на две одинаковые дочерние клетки, каждая из которых также делилась на две клетки. Все сказанное позволило итальянскому ученому утверждать, что и микроорганизмы возникают не в результате самозарождения, а происходят от себе подобных. Выводы Л. Спалланцани, однако, не поколебали веры Дж. Нидхема и его сторонников в самозарождение. Дж. Нидхем объяснил отрицательные результаты, полученные Л. Спалланцани, тем, что тот подвергал свои настои слишком жесткой обработке, в результате которой разрушалась их "жизненная сила".

Окончательный конец спору о самозарождении микроорганизмов положил Л. Пастер. Серией четко поставленных опытов он доказал, что микроорганизмы не возникают самопроизвольно. Особенно изящными были его опыты, проведенные в колбах с S-образными горлами. В такие колбы наливали подсахаренную дрожжевую воду. Если колбы прокипятить, а затем осторожно охладить, то они остаются стерильными неопределенно долгое время, несмотря на то, что не закрыты пробками. Если же удалить S-образный участок горла, то спустя несколько дней в такой колбе будет наблюдаться бурное развитие микроорганизмов. Через S-образное горло непрогретый воздух может легко поступать в колбу, но содержащиеся в воздухе микроорганизмы задерживаются в изгибах горла, оседая в его нижнем колене. После удаления S-образной части горла микроорганизмы прямо попадают в колбу, начинается их быстрый рост. Этим простым опытом Л. Пастер опроверг возражение о разрушении при нагревании таинственной "жизненной силы", содержащейся в питательной среде и в обычном (непрогретом) воздухе. Он неопровержимо доказал, что "самозарождение" в большинстве опытов происходит в результате попадания в стерилизованные питательные среды микроорганизмов из воздуха.

Позднее идеи о самозарождении возникли уже в XX в. по отношению к субмикроскопическим живым частицам - вирусам. Однако и в этом случае было доказано, что вирусы не зарождаются из невирусного материала, а происходят только от себе подобных частиц, т.е. вирусов. Таким образом, хотя теория самозарождения была убедительно опровергнута на разных уровнях организации живых организмов, вопрос о происхождении жизни оставался открытым.

Основной вывод, который можно сделать из рассмотренного выше материала, заключается в том, что в настоящее время спонтанное возникновение жизни невозможно. В конце XIX - начале XX в. большой популярностью пользовалась гипотеза панспермии, согласно которой живые организмы были занесены на Землю из космического пространства. Особенно привлекательно выглядела идея занесения их с метеоритами или космической пылью. Гипотеза панспермии была сформулирована в 1865 г. немецким исследователем Г. Рихтером и поддержана С. Аррениусом и Г. Гельмгольцем. В наше время эту идею с учетом достижений науки и техники, и в первую очередь освоения человеком космического пространства, модернизировали Ф. Крик и Л. Оргелл, предположившие доставку зародышей жизни (микроорганизмов) на Землю из другой, более развитой цивилизации на космическом корабле. Эта гипотеза не объясняет первоначального возникновения этих спор или зародышей, а просто истоки жизни выносит в просторы Вселенной. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения возможность существования жизни в других частях Вселенной, однако вероятность занесения на Землю живых организмов из космического пространства не имеет пока никаких подтверждений.

История о происхождении микроорганизмов

Уже в 5-6 веках до н.э. человек пользовался плодами деятельности микроорганизмов, не зная об их существовании - виноделие, хлебопечение, сыроделие, выделка кож. Мысль о наличии в природе невидимых живых существ возникала у многих исследователей. Так, еще в 6-ом веке до н.э. Гиппократ, в 16-ом веке н.э. Джираламо Фракасторо, а также в 17-ом веке Афанасий Кирхер высказывали предположение, что причиной заразных болезней являются невидимые живые существа. Однако у них не было, да и не могло быть доказательств, подтверждающих эту мысль.

По мнению В.Л. Омелянского, "Первым исследователем" перед изумленным взором которого открылся таинственный и полный чудес мир микроорганизмов - был ученый иезуит Афанасий Kиpxep (1601-1680), автор ряда сочинений астрологического характера. С помощью довольно сильной лупы он наблюдал мельчайших "червячков" в загнившем мясе, молоке, уксусе, сыре и в крови больных, предполагая, что все это живое население произошло из безжизненных органических материалов".

Гиппократ, реформатор античной медицины, считал, что с воздухом в организм человека могут попадать ядовитые испарения - миазмы, вызывающие различные болезни. А его соотечественник, величайший историк Фукидид, сказал, что причиной болезни являются «живые контагии». Вполне возможно, что они живут по другим законам в своем ином, невидимом мире.

Научное предположение о невидимых возбудителях заболеваний, передающихся при посредстве воды и воздуха, распространилось благодаря выдающемуся врачу и философу Авиценне. Почти 100 лет назад восточный везир Абу Али Ибн Сина написал книги о здоровье и болезнях человека, по которым учились многие поколения врачей в Европе и странах Востока.

Великий русский ученый М.В. Ломоносов так оценил значение микроскопа в развитии науки: «Много микроскоп нам тайности открыл». Невооруженный человеческий глаз может различать две точки, если они отстоят друг от друга не меньше, чем на 0,1 мм. Это расстояние и является границей, отделяющей видимый мир от невидимого. Многие увлекались наблюдениями через увеличительные стекла, но наибольшего успеха добился голландский натуралист Антони Ван Левенгук (1632-1723). На гранильных фабриках Амстердама он научился шлифовать увеличительные стекла (линзы) и сконструировал простейший микроскоп, при помощи которого ему удалось обнаружить мельчайших и живых зверьков (анималькулюсов) в дождевой капле, воде, зубном налете и других материалах.

Левенгук представил рисунки шаровидных, палочковидных и извитых форм бактерий, описал дрожжи и плесени, а также эритроциты и сперматозоиды. Свои наблюдения он опубликовал в виде писем в Лондонское научное королевское общество. Впоследствии они были обобщены им в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком».

Изучение биохимической деятельности микроорганизмов, их роль в природе, жизни человека и животных положило начало бурному развитию общей микробиологии, что неразрывно связано с работами выдающегося французского ученого Луи Пастера (1822-1895 гг.). Гениальные открытия Пастера составили целую эпоху в развитии естествознания и привели к коренным революционным изменениям в биологии и медицине. Об основных работах Л. Пастера можно судить по надписи, сделанной на мемориальной доске, где помещалась его лаборатория в Высшей нормальной школе в Париже: «Здесь была лаборатория Пастера».

1857 г. - Брожения;

1860 г. - Самопроизвольное заражение;

1865 г. - Болезни вина и пива;

1868 г. - Болезни шелковичных червей;

1881 г. - Зараза и вакцина;

1885 г. - Предохранение от бешенства.

В своих первых работах, будучи химиком по образованию, что оптически недеятельный раствор виннокаменной кислоты при внесении в него плесневого гриба начинает вращать плоскость поляризации влево вследствие разрушения этим микробом правовращающего изомера. Из этих наблюдений он делает вывод, что микроорганизмы способны изменять среду, в которой живут и вызывают разнообразные химические превращения. В своих дальнейших работах Л. Пастер детально изучает роль микробов в процессах брожения (масляно-кислое, спиртовое и др.), которые вызываются строго определенными микроорганизмами, отличающимися друг от друга по морфологическим и физиологическим свойствам.

При изучении брожения Л. Пастер открыл явление анаэробиоза - способности некоторых микроорганизмов развиваться без доступа кислорода. Познание биологической сущности процессов брожения имело огромное значение, т.к. открывало путь к рациональному управлению и регулированию бродильных процессов. Эти исследования позволили выяснить роль микробов в круговороте веществ в природе, в частности в процессах гниения. Пастер убедительно опроверг утверждение о самопроизвольном заражении. Разработанные им методы стерилизации оказали огромное влияние на развитие всей медицины и особенно хирургии.

На основании исследований Пастера английский ученый хирург Дж. Листер предложил асептический метод стерилизации. При болезнях вин Пастер предложил мягкий способ стерилизации, названный позже пастеризацией. Следующим этапом научной деятельности Пастера явилось изучение причин болезни шелковичных червей. Эта болезнь наносила огромный экономический ущерб производству шелка во Франции. Оказалось, что и в этом случае повинны микробы (больных уничтожали и заменяли здоровыми бабочками). Л. Пастер доказал инфекционную природу сибирской язвы, стафиллококкозов. О природе этих болезней сообщение было встречено врачами того времени с недоверием. Многие из них считали, что подобные исследования фантазия химика. Научно обосновал вакцинацию и создал первую вакцину.

Идея предохранение людей и животных от заразных болезней не была новой. За много лет до работ Пастера английский врач Эд. Дженнер (1749-1823) разработал метод предохранительных прививок против оспы. Заражая людей коровьей оспой, Дженнер по существу разрешил проблему борьбы с оспой человека. Однако сущность этого метода была разгадана Пастером спустя 100 лет.

Л. Пастер со своими учениками разработал стойкую теорию ослабления (аттенуации) заразных свойств микробов и принципы применения ослабленных микробов для профилактики инфекционных болезней. В честь первооткрывателя предохранительных прививок Дженнера, Пастер назвал прививки культурой микроорганизмов или вирусов вакцинацией (vacca - корова). Культивированием возбудителя сибирской язвы при температуре 42,5°С был получен вакцинный штамм, обладающий низкой вирулентностью. Вершина деятельности Пастера - исследование по борьбе с бешенством. Успех его стал сенсацией. В 1886 г. в России Мечников И.И. и Гамалея Н.Ф. организовали в Одессе Пастеровскую станцию по борьбе с бешенством (1845-1916).

Гамалея Н.Ф. (1859-1949) впервые наблюдал лизис сибиреязвенных бацилл в культуре.

В конце 19 столетия бурный прогресс микробиологии связан с работами немецкого ученого Роб. Коха (1843-1910). При решении вопросов о роли микробов в этиологии инфекционных болезней Кох исходил из положений, которым должен отвечать микроб, признаваемый возбудителем болезни. Суть этих требований, известных под названием «триада Гейль-Коха» заключается в следующем:

микроб, предполагаемый в качестве возбудителя болезни, всегда должен обнаруживаться только при данном заболевании;

данный микроб должен быть выделен в чистой культуре;

чистая культура этого микроба должна вызвать у экспериментальных животных заболевание.

Р. Кох изучал возбудителя сибирской язвы, впервые использовал анилиновые красители и применил при микроскопировании иммерсионную систему и микрофотографирование. В марте 1882 г. обнаружил и установил возбудителя туберкулеза. В честь этого выдающегося исследователя микроб назван палочкой Коха - mycobacterium tuberculosis; Кох открыл возбудителя холеры, ввел понятие о дезинфекции, изобрел туберкулин, ввел метод выделения чистой культуры.

С Пастером сотрудничал наш соотечественник И.И. Мечников (1845-1916) - основоположник фагоцитарной теории иммунитета.

Виноградский С.Н. (1856-1953) - сельскохозяйственный микробиолог, Д.И. Ивановский (1864-1920) впервые доказал экспериментальным путем существование вирусов - ВТМ.

В развитии ветеринарной микробиологии большую роль сыграли исследования Леффлера и Фреша, открывших первого вируса, поражающего животных - возбудителя ящура (1897).

В настоящее время открыты нанобактерии американским геологом Техасского университета Robert Folk - бактерии овоидной и призматической формы размером 0,2-0,5 микрон. Фолк установил активное участие парниковых бактерий в минерализации осадочных пород. Они формируют большинство биомасс и ответственны за коррозию металлов, осаждение минеральных осадков. Сейчас нанобактерии изучаются у человека приоритет. Финский ученый Kajander (1992) обнаружил странную бациллу, склонную к амитозу, от 0,2-0,5 до 2 микрон, заключенную в капсулу. И лишь 10 лет спустя, в 1998 г. о нанобактериях снова заговорили: их обнаруживают в почечных камнях. Он доказал участие нанобактерий в образовании уролитов. Он доказал новый механизм в биоминерализации в организме.

Джеймс Коултон (Каида) получил подтверждение, что скорлупа из карбоната-апатита - причина миокардита, новообразований. Это самый большой сюрприз 20-го века.

Генетика микроорганизмов

Генетика (от греч. genos-- рождение) -наука о наследственности и изменчивости организмов. Чтобы установить изменения у живых существ, определить влияние на них разных факторов среды, необходимы не только знания, условия, но еще и время. Установить изменения в разных поколениях животных не всегда представляется возможным, так как для этого часто не хватает человеческой жизни. Микроорганизмы же быстро растут и размножаются, что увеличивает их относительную поверхность и контакт со средой обитания. Все это позволяет в сравнительно короткий срок получить большое количество поколений и проследить за изменением определенных признаков и свойств. Вот почему основными объектами генетических исследований стали такие существа. Способность живых организмов сохранять определенные признаки на протяжении многих поколений называется наследственностью. Еще в XIX веке Ч. Дарвин доказал, что все существующие виды живых организмов произошли путем изменчивости от немногих форм, а возникшие изменения, передаваемые по наследству, являются основой эволюционного процесса. Теория Дарвина получила высшую оценку у классиков марксизма-ленинизма. Ф. Энгельс рассматривал ее как одно и а величайших открытий XIX века.

Первым объектом генетических исследований была кишечная палочка, которая хорошо культивируется в лабораторных условиях. Важное значение имело также то, что морфологические, культуральные и биохимические свойства этой бактерии хорошо изучены. В дальнейшем объектом генетических исследований стали и другие бактерии, а также вирусы.

Основоположники русской микробиологической науки И.И. Мечников, Л.С. Ценковский, С.Н. Виноградский и др. подходили к изучению изменчивости с дарвинских позиций. И.И. Мечников писал: «Именно в области микробиологии была доказана возможность изменения природы бактерий, причем можно добиться стойких изменения внешних условий, причем можно добиться стойких изменений, передаваемых по наследству». Были и другие мнения об изменчивости микроорганизмов.

Полиморфисты (К. Негели, Х. Бюхнер) отстаивали возможность резких постоянных морфологических, культуральных и других изменений у микроорганизмов. К. Негели отрицал постоянство форм у микробов, признавая их широкую изменчивость и даже переход одного вида в другой. Шаровидная микробная клетка, по мнению полиморфистов, могла превращаться в зависимости от временных условий в палочку, спириллу, изменять биологические свойства и вновь приобретать первоначальные признаки. Один и тот же микроб, по их мнению, мог вызывать сбраживание молока, разложение белковых веществ и даже инфекционные процессы. Таким образом, К. Негели и его последователи отрицали специфические свойства у микроорганизмов. Это в какой-то степени было связано с несовершенством техники исследований, с невозможностью получения чистых культур, где могли быть микробы, разные по форме и размерам. С введением в микробиологическую практику плотных питательных сред, на которых вырастали изолированные колонии, стало возможным выделение микробов в чистом виде. Они длительное время сохраняли первоначальные свойства, что, по-видимому, явилось одной из причин формирования другого направления в науке - мономорфизма.

Мономорфисты (Ф. Кон, Р. Кох) утверждали постоянство микробных видов. Они отрицали их изменчивость под влиянием условий внешней среды. Позиция мономорфистов особенно укрепилась с открытием возбудителей инфекционных болезней.

Дальнейшие исследования показали, что под влиянием условий среды у организмов часто появляются новые признаки, которые могут быть временными или постоянными, передающимися по наследству. Микробы при этом способны терять вирулентность. Приобретать лекарственную устойчивость, увеличивать количество продуктов жизнедеятельности, изменять морфологические, культуральные и другие свойства.

Морфологические изменения. Температура, химические вещества, фаги, антибиотики и другие факторы среды могут вызывать изменения формы микробов. Палочки принимают округлую форму, становятся более длинными и толстыми, образуют вздутия. Морфологические изменения чаще наблюдаются у старых культур, когда в больших количествах накапливаются продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Н.Ф. Гамалея такое явление называл гетероморфизмом.

Культуральные изменения. Одни и те же микробы в одинаковых условиях могут иметь разные культуральные признаки. На плотной питательной среде так называемые S-формы (от англ. smooth -- гладкий) образуют гладкие, прозрачные, с ровными краями колонии, а R-формы (от англ. rough-- шероховатый)- шероховатые, непрозрачные, со складчатой поверхностью. Между этими формами имеются и переходные О- и М - формы (промежуточная и слизистая). Такие культуры различаются не только по форме, но и по другим признакам. Так, S -форма, если это патогенный микроб, более болезнетворная, характеризуется хорошими агглютинирующими свойствами. R -форма не имеет таких признаков и почти не переходит в S -форму. Такие изменения, при которых происходит разъединение, расщепление признаков у микроорганизмов, называют диссоциацией. Этот вид изменчивости был описан П. де Крюи и Дж. Аркрайтом. В ее основе, как полагают, лежат мутации. Диссоциация наблюдается у ряда бактерий, в частности у возбудителей сибирской язвы, чумы и др.

Биологические изменения. Введение в организм микробов, подвергнутых воздействию внешних факторов среды, создает у животного невосприимчивость к повторным заражениям. И только случай с культурой холеры кур, оставленной на длительное время в термостате, позволил Л. Пастеру взглянуть на подобное явление глазами исследователя. Ослабленная культура не вызвала заболевания у птицы, но после введения ее в организм создавалась невосприимчивость (иммунитет). В последние годы отмечается повышенная устойчивость микроорганизмам к лекарственным веществам.

Вопросами изменчивости уделяется много внимания, так как изменчивость позволяет получить высокоактивные штаммы продуцентов антибиотиков, наиболее эффективные расы микробов для приготовления заквасок. Бактериальных удобрений, культур с пониженной вирулентностью для приготовления живых вакцин.

Изменения и их форма в мире микроорганизмов могут быть разными и зависят от многих причин. Фенотипические изменения связаны с условиями среды, не наследуются, хотя и могут сохранятся длительное время. Генотипические изменения наследуются. Болезнетворные бактерии чаще бывают в S-форме. Исключением являются возбудители туберкулеза, чумы, сибирской язвы, у которых болезнетворной является R-форма

Фенотипическая изменчивость (Модификация)

Адаптация - приспособление микроорганизмов к условиям среды. В настоящее время это явление объясняет не изменение в микробной клетке, а развитием ранее измененных особей и гибелью неприспособленных, что установлено при действии на микробы антибиотиков. Приспособленные клетки размножаются, а остальные погибают, т.е. происходит естественный отбор.

Модификация - изменение микроорганизмов под влиянием условий среды. Изменяются только фенотипические признаки. Наблюдается в нормальных условиях жизни, это реакция на внешние раздражения, не связанные с нарушением физиологических процессов в организме. Например, при добавлении пенициллина к питательной среде клетки некоторых бактерий удлиняются. Недостаток в среде солей кальция вызывает у палочки сибирской язвы повышенное спорообразование. При повышенной концентрации солей кальция способность образовывать споры утрачивается и т. д. При длительном росте бактерий в одной и той же среде возникает полиморфизм, обусловленный влиянием накопившихся в ней продуктов их жизнедеятельности.

Генотипическая (наследуемая) изменчивость

микроорганизм бактерия изменчивость генетический

Ген - единица наследственности, которая представляет собой участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты (ДНК - или РНК - содержащих вирусов). Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом. Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о конкретных белках, вырабатываемых клеткой, и гены-регуляторы, регулирующие работу структурных генов. Например, клетка вырабатывает те белки, которые необходимы ей в данных условиях, однако при изменении условий гены-регуляторы изменяют свойства клетки, приспосабливая их к новым условиям. Геномная (содержит полный набор генов) нуклеиновая кислота способна не только хранить, но и передавать генетическую информацию. ДНК находится главным образом в нуклеоиде (ядре) микробной клетки, причем чаще виде двойной спирали, состоит из двух нуклеотидов, которые в определенном порядке чередуются и несут генетическую информацию. Единицей информации является кодон, представляющий собой три нуклеотида (триплет), кодирующий одну аминокислоту. Установлено также, что определенное чередование триплетов, >кодирующих аминокислоты в белке, заложено в генах прокариот и эукариот. Наряду с триплетами - экзонами (принимающими участие в синтезе белка) имеются и триплеты - интроны, которые не принимают участия в синтезе белка. Такое явление получило название линейной мозаичности генов. Прерывистая структура генов (экзоны, разделенные интронами - промежуточной, нетранслируемой ДНК) установлена американскими учеными Р.Дж. Робертсом и Ф.А. Шарпом, за что они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1993 г.

Фридрих Мишер, швейцарский врач, еще в конце 1868г. Выделил из лейкоцитов, содержащихся в гное, ранее неизвестное вещество, которое назвал нуклеином. В 1889г. Немецкий химик Рихард Альтман нуклеин Мишера назвал нуклеиновой кислотой. Лишь много лет спустя (1953) была построена ее модель. В состав ДНК входят четыре азотистых основания: два пуриновых - аденин и гуанин и два пиримидиновых - тимин и цитозин, сахар дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Две цепи молекулы ДНК закручены вокруг воображаемой оси, но в противоположных направлениях. Расстояние между витками равно 3,4 нм, на нем укладывается 10 нуклеотидов. В зависимости от количества воды и ионной силы окружающей среды конфигурация двойной спирали может меняться. Полинуклеотидные цепи соединены водородными связями, расположенными в нутрии спирали, т.е между азотистыми основаниями, несущими информацию необходимую для биосинтеза белка. Двойная спираль может принимать разную форму. Спираль ДНК бывает закручена вправо (В - форма), так и влево (Z - форма), причем последняя имеет зигзагообразный остов и 12 пар оснований в витке. Левая спираль впервые (1979) обнаружена А. Ричем и его коллегами (Массачусетский технологический институт, США).

Передача наследственной информации от ДНК (нуклеотида, хромосомы) на рибосомы, где происходит синтез белка, осуществляется информационной или матричной рибонуклеиновой кислотой (иРНК или мРНК). Она является зеркальным изображением соответствующего участка ДНК, в котором тимин заменен урацилом. В микробных клетках иРНК существует недолго, после чего распадается на нуклеотиды. Перенос активированных аминокислот от ДНК к рибосомам осуществляется транспортной РНК (тРНК), и их соединение - с помощью специальных ферментов. Для каждой аминокислоты существует своя особая тРНК и соответствующий ей фермент. Таких аминокислот известно уже более 20. Установлено (1981), что в белках, синтезированными живыми организмами, содержится еще аминолимонная - 21-я аминокислота. Она найдена в белках нуклеотидных комплексов, выделенных из тимуса коровы и человека, кишечной палочки и других микробов. Через год (1982) появилось новое сообщение найдена 22-я аминокислота - В - карбоксиаспарагиновая. У молекул открытых аминокислот большой отрицательный заряд. Отрицательный заряд несут также РНК, входящие в рибонуклеотидные комплексы рибосом. Полагают, что такие РНК и отрицательно заряженные участки молекул рибосомных белков не связаны между собой.

В рибосомах находится рибосомная РНК (р РНК), где она образует как бы остов, на котором из аминокислот синтезируется белок. Таким путем осуществляется связь между ДНК нуклеотида и рибосомами цитоплазмы. Рибосома состоит из двух субъединиц: большой и малой. Процесс биосинтеза белка проходит в два этапа: первый ДНК > м РНК > белок - трансляцией (переводом).

Х. Темин и Д.Балтимор (1970) установили, что с помощью особых ферментов - ревертаз (обратных транскриптаз) - передача генетической информации может совершаться и в обратном направлении, т.е. с молекулы РНК на ДНК, при этом РНК становится матрицей для синтеза ДНК (ДНК>РНК>белок и РНК>ДНК>белок). Это открытие в 1975 г. Было удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Молекулы ДНК бывают либо линейными, либо замкнутыми в кольцо. Кольцевые молекулы ДНК - содержащих вирусов. Обычно молекулы ДНК двуспиральные и реже односпиральные. Все они макромолекулы, имеют большую молекулярную массу. В ДНК содержится генетическая информация, которая при размножении передается потомству. Молекулы РНК чаще односпиральные и реже двуспиральные. Они, как ДНК, состоят из нуклеотидов. Геномные только те РНК, которые находятся в РНК - содержащих вирусах. Рибосомные, матричные, транспортные и другие РНК выполняют иные функции. Размеры РНК разные: более крупные - геномные и очень мелкие - транспортные. У РНК вместо тимина содержится урацил, а дезоксирибоза заменена рибозой.

Генотипическая изменчивость может возникать в результате мутаций и генетических рекомбинаций. Мутации (от лат. mutatio -- изменять) -- это передаваемые по наследству структурные изменения генов, появляются в результате нарушения последовательности оснований ДНК, а также нуклеотидов в гене. Такой ген кодирует белок, отличающийся от исходного по свойствам и функциям. Термин введен голландским ученым Хуго де Фризом, 1901.

Крупные мутации (геномные перестройки) сопровождаются выпадением или изменением относительно крупных участков генома -- такие мутации, как правило, необратимы.

Мелкие (точковые) мутации связаны с выпадением или добавлением отдельных оснований ДНК. При этом изменяется лишь небольшое число признаков. Такие измененные бактерии могут полностью возвращаться в исходное состояние (ревертировать).

Бактерии с измененными признаками называются мутантами. Факторы, вызывающие образование мутантов, носят название мутагенов.

Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием неконтролируемых факторов, т.е. без вмешательства экспериментатора. Они характеризуются изменением какого - нибудь одного признака и обычно стабильны.

Индуцированные (направленные), или мутагенные мутации появляются в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами (химическими, физическими и биологическими). К физическим относят различного рода излучения: ультрафиолетовые, рентгеновские, радиоактивные. Они вызывают повреждение генетического аппарата, изменение признаков, свойств микробов; к химическим - сильнодействующие вещества: отравляющие (иприт), лекарственные (йод, пероксид водорода), кислоты ( азотистая) и др. примером биологических мутагенов может быть ДНК. Так, при введении эмбриона дрозофилы некоторых видов онковирусы взрослые особи приобретают новые признаки: на голове возникают необычные вирусы или углубления, иногда исчезают глаза. Отрезок вирусной ДНК, который встраивается в одну из хромосом дрозофилы, вызывает дифференцирование клеток, и, как результат, появляются морфологические и другие изменения.

В результате бактериальных мутаций могут отмечаться: а) изменение морфологических свойств; б) изменение культуральных свойств; в) возникновение у микроорганизмов устойчивости к лекарственным препаратам; г) потеря способности синтезировать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питательные вещества; д) ослабление болезнетворных свойств и т. д.

Для получения полезных признаков у микроорганизмов применяют самые различные мутагены. Таким методом выделены высокоактивные штаммы продуцентов антибиотиков и других веществ. После облучения пенициллина получены штаммы продуцентов антибиотиков и других веществ. После облучения продуцента пенициллина получены штаммы, которые по своей активности в десятки - сотни раз превосходят исходные. В сочетании с другими факторами и при создании оптимальных условий роста биосинтез повышался: пенициллина в 10 тыс. раз, витамина В2 (рибофлавина) в 20 тыс., витамина В12 ( цианкобаламина) в 50 тыс. раз (А. Демейн, Н. Соломон, 1984).

Если мутация приводит к тому, что мутагенные клетки обретают по сравнению с остальными клетками популяций преимущества, то формируется популяция из мутантных клеток и все приобретенные свойства передаются по наследству. Если же мутация не дает клетке преимуществ, то мутантные клетки, как правило, погибают.

Комбинативные изменения появляются в результате трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация - это процесс переноса участка генетического материала ДНК, содержащего одну пару нуклеотидов, от клетки - донора к клетки- реципиенту. Впервые это явление установлено в 1928г. Английским микробиологом Ф.Гриффитом. мышам одновременно были введены две культуры пневмококков: непатогенная, лишенная капсулы (R - штамм) и патогенная культура с капсулой (S - штамм), убитая нагревание. Все мыши погибли от пневмонии (воспаления легких).из органов павших животных была выделена капсульная, вирулентная культур пневмококка. Культура убитого нагреванием капсульного пневмококка вызывала в организме трансформацию живых бескапсульных микробов, в результате чего у них появилась способность к образованию капсулы, что и обусловило патогенность.

В 1944г.группа ученых (О. Эйвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти) поставила опыт Гриффита in vitro: к культуре авирулентного бескапсульного штамма пневмококка добавили ДНК, полученную из вирулентного капсульного штамма пневмококка, авирулентный бескапсульный пневмококк приобрел вирулентные свойства. Было доказано, что носителем вирулентных свойств является ДНК.

В процессе трансформации различают пять стадий: первая - адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки; вторая - проникновение ДНК в клетку-реципиент; третья-спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клетки; четвертая-включение участка ДНК клетки-донора в хромосомные структуры клетки- реципиента; пятая-дальнейшее изменение нуклеотида в ходе последующих делений.

Трансформироваться могут устойчивость и чувствительность к антибиотикам, способность к синтезу ферментов и т.д. Трансформация признаков ДНК происходит только при определенных условиях и физиологических состояниях клетки, получивших название «состояние готовности». Оптимальная температура трансформации 29-32°С. Высокая температура (80-100°С), химические вещества (азотистая кислота), ультрафиолетовые излучения, фермент ДНК-аза приостанавливают трансформирующее действие ДНК. Таким образом, нуклеиновые кислоты- носители наследственной информации. Клетки, которые способны воспринять ДНК другой клетки в процессе трансформации, называются компетентными. Состояние компетентности часто совпадает с логарифмической фазой роста.

Трансдукция -- это перенос генетической информации (ДНК) от бактерии донора к бактерии реципиенту при участии бактериофага. Установлена в 1952 г. Н. Циндером и Дж. Ледербергом. Трансдуцирующими свойствами обладают в основном умеренные фаги. Размножаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав своей ДНК часть бактериальной ДНК и передают ее реципиенту. Различают три типа трансдукции: общую, специфическую и абортивную.

1. Общая трансдукция -- это передача различных генов, локализованных на разных участках бактериальной хромосомы. При этом бактерии доноры могут передать реципиенту разнообразные признаки и свойства-- способность образовывать новые ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д.

2. Специфическая трансдукция -- это передача фагом только некоторых специфических генов, локализованных на специальных участках бактериальной хромосомы. В этом случае передаются только определенные признаки и свойства.

3. Абортивная трансдукция -- перенос фагом какого-то одного фрагмента хромосомы донора. Обычно этот фрагмент не включается в хромосому клетки реципиента, а циркулирует в цитоплазме. При делении клетки реципиента этот фрагмент передается только одной из двух дочерних клеток, а второй клетке достается неизмененная хромосома реципиента.

С помощью трансдуцирующих фагов можно передать от одной клетки другой целый ряд свойств, таких как способность образовывать токсин, споры, жгутики, продуцировать дополнительные ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д.

Конъюгация -- это передача генетического материала от одной бактерии к другой при непосредственном контакте клеток. Впервые это явление было обнаружено у кишечной палочки и описано в1946 г. Дж. Ледербергом и Э. Тейтемом (Татумом). Клетки, передающие генетический материал, называются донорами, воспринимающие его -- реципиентами. Этот процесс носит односторонний характер -- от клетки донора к клетке реципиента.

Бактерии донора обозначаются F+ (мужской тип), а бактерии реципиента -- F -- (женский тип). При тесном сближении клеток F+ и F- между ними возникает цитоплазматический мостик. Образование мостика контролируется фактором F (от англ.Fertility-- плодовитость). Этот фактор содержит гены, ответственные за образование половых ворсинок (sex-pili). Функцию донора могут выполнять только те клетки, которые содержат фактор F. Клетки реципиента лишены этого фактора. При скрещивании фактор Р передается клеткой донора реципиенту. Получив фактор F, женская клетка сама становится донором (F+).

Процесс конъюгации можно прервать механическим способом, например встряхиванием. В этом случае реципиент получает неполную информацию, заключенную в ДНК. Перенос генетической информации путем конъюгации лучше всего изучен у энтеробактерий. Конъюгация, как и другие виды рекомбинации, может осуществляться не только между бактериями одного и того же вида, но и между бактериями разных видов. В этих случаях рекомбинация называется межвидовой.

Плазмиды

Плазмиды -- это сравнительно небольшие внехромо-сомные молекулы ДНК бактериальной клетки. Они расположены в цитоплазме и имеют кольцевую структуру. В плазмидах содержится несколько генов, функционирующих независимо от генов, содержащихся в хромосомной ДНК. Типичным признаком плазмид служит их способность к самостоятельному воспроизведению (репликации).

Они могут также переходить из одной клетки в другую и включать в себя новые гены из окружающей среды. К числу плазмид относятся:

Профаги, вызывающие у лизогенной клетки ряд изменений, передающихся по наследству, например, способность образовывать токсин.

F-фактор, находящийся в автономном состоянии и принимающий участие в процессе конъюгации.

R-фактор, придающий клетке устойчивость к лекарственным препаратам (впервые R-фактор был выделен из кишечной палочки, затем из шигелл). Исследования показали, что К-фактор может быть удален из клетки, что вообще характерно для плазмид.

К-фактор обладает внутривидовой, межвидовой и даже межродовой трансмиссивностью, что может явиться причиной формирования трудно диагностируемых атипичных штаммов.

Бактериоциногенные факторы (col-факторы), которые впервые были обнаружены в культуре кишечной палочки (E.coli), в связи с чем названы колицинами. В дальнейшем они были выявлены и у других бактерий: холерного вибриона -- вибриоцины, стафилококков -- стафилоцины и др.

Соl-фактор -- это маленькая автономная плазмида, которая детерминирует синтез белковых веществ, способных вызывать гибель бактерий собственного вида или близкородственного. Бактериоцины адсорбируются на поверхности чувствительных клеток и вызывают нарушения метаболизма, что приводит клетку к гибели.

В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют колицин. Однако при некоторых воздействиях на культуру (обработка бактерий УФ-лучами) количество колицинпродуцйрующих клеток увеличивается.

Практическое значение изменчивости

Микроорганизмы широко распространены в природе. Они находятся в воздухе, почве, воде, пище, на окружающих нас предметах, на поверхности и внутри нашего тела и других организмов. Их обнаруживают в жарких песках пустынь и в холодной Антарктиде, на дне морей и океанов, в глубине шахт, в космосе. Широкое распространение микробов свидетельствует об их значительной роли в природе и жизни человека. Без преувеличения можно сказать, что не будь микробов жизнь на Земле была бы невозможной или существовала в какой-то иной форме. Достаточно сказать, что они участвуют в круговороте веществ в природе (С, N, P, S), осуществляют расщепление органических соединений и синтез белка.

С помощью микроорганизмов происходят важнейшие производственные процессы: хлебопечение, виноделие, производство органических кислот, ферментов, пищевых белков, гормонов, антибиотиков и других лекарственных веществ. Они играют важную роль в повышении плодородия почвы, образовании каменного угля, нефти и ряде других процессов, протекающих в природе. По ориентировочным подсчетам в биосфере обитает 1045 бактерий, а число вирусов и простейших не поддается учету.

Еще Пастер искусственным путем получил необратимые изменения у возбудителей бешенства, сибирской язвы и приготовил вакцины, предохраняющие от этих заболеваний. В дальнейшем исследования в области генетики и изменчивости микроорганизмов позволили получить большое число бактериальных и вирусных штаммов, используемых для получения вакцин. Результаты исследования генетики микроорганизмов с успехом были использованы для выяснения закономерностей наследственности высших организмов.

Большое научное и практическое значение имеет также новый раздел генетики -- генная инженерия. Методы генной инженерии позволяют изменять структуру генов и включать в хромосому бактерий гены других организмов, ответственных за синтез важных и нужных веществ. В результате микроорганизмы становятся продуцентами таких веществ, получение которых химическим путем представляет очень сложную, а иногда даже невозможную задачу. Этим путем в настоящее время получают такие медицинские препараты, как инсулин, интерферон и др. При использовании мутагенных факторов и селекции были получены мутанты-продуценты антибиотиков, которые в 100--1000 раз активнее исходных.

Список используемой литературы:

1. Ветеринарная микробиология и иммунология/Н.А. Радчук, Г.В. Дунаев, Н.М. Колычев и др.; Под ред. Н.А. Радчука. - М.: Агромиздат, 1991. - 383 с., [4] л. ил.:, - (Учебники и учеб. Пособия для студентов высш. Учеб. Заведений). 1991 г. Издания.

Размещено на Allbest.ru