Краткий курс лекций по биологии

1. Введение в биологию. Общая характеристика живых систем

1.1 Биология как наука.

Биология (греч. bios – жизнь, logos – учение) – совокупность наук, изучающих структуру, функционирование и разнообразие живых систем на разных уровнях организации.

Биология – комплексная наука, сформировавшаяся в результате дифференциации и интеграции различных областей знаний.

К биологическим дисциплинам относятся ботаника (предмет изучения – растения), зоология (животные), анатомия (макроскопическое строение организмов), микробиология (микроорганизмы), гистология (строение тканей), физиология (функции организма), цитология (строение и функционирование клетки), генетика (закономерности наследственности и изменчивости), экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой). Каждая из них – самостоятельная наука, разделяется в свою очередь на разделы (в зоологии - орнитология, ихтиология, протозоология и т.д.).

В результате интеграции (на стыке разных наук) возникли и активно развиваются биохимия, молекулярная биология, биофизика, радиобиология, цитогенетика, космическая биология, бионика (использование принципов организации живых существ при создании машин) и другие науки.

Общая биология изучает наиболее универсальные свойства и закономерности развития и существования организмов и их сообществ (т.е. наиболее общие вопросы сущности жизни и уровней ее организации).

1.2 Биология и биотехнология

Биология – фундаментальная дисциплина, тесно связана с практикой и медициной; основа биотехнологии.

Биотехнология - использование биологической формы материи для производства социально значимых продуктов.

Основные направления применения БТ в различных отраслях:

• в промышленности - биосинтез, биотрансформация, ферментативный катализ для получения различных веществ (органические кислоты, белки, гормоны, олигосахариды);

• в сельском хозяйстве - получение трансгенных агрокультур (картофель, соя, кукуруза), биологических средств защиты растений, биогумуса, биокормов, репродукция животных на основе эмбриогенетических методов (клонирование);

• в энергетике – получение биоэнергии (биогаз), моделирование фотосинтеза;

• в медицине – биопрепараты, антитела, вакцины, диагностикумы;

• в экологии – биоочистка сточных вод, утилизация отходов, конструирование экосистем.

Для решения этих проблем используются методы генетической (на уровне ДНК, рекомбинация – встраивание новых генов) и клеточной (на клеточном уровне, в основном гибридизация, полное слияние или частичное – ядро, органеллы) инженерии.

Трансгенные организмы – это существа, геном которых направленно перестроен. Это занимает меньше времени, чем традиционная селекция и дает огромные возможности, однако существует риск для безопасности человека и окружающей среды.

В сельском хозяйстве такие работы используют с целью повышения продуктивности и скорости роста животных, улучшения качества продуктов, повышения устойчивости животных и растений к вредителям и болезням.

Одно из перспективных направлений – получение дорогих лекарственных веществ (антитрипсина, фактора свертывания крови и др.) в молоке трансгенных коров (овец), введение генов гормонов роста человека в геном животных (овцы, свиньи, но пока возникает много проблем с выращиванием таких животных).

Клонирование животных – создание генетических копий одного индивидуума с помощью бесполого размножения. Первые опыты на позвоночных были проведены с лягушками. В 1996 клонирована овца Долли. В настоящее время клонирование сельскохозяйственных животных в некоторых странах (например, в Китае) внедряется в промышленных масштабах.

Клонированные клетки могут сыграть особую роль медицине, в т.ч. и для замены лабораторных животных, при пересадке органов и тканей.

Трансгенные растения могут быть более устойчивы к насекомым, вирусам, гербицидам, приобретать способность к азотфиксации или к медленному созреванию. С помощью генной инженерии можно создавать новые сорта цветов с необычной окраской и формой, сорта пшеницы с улучшенными хлебопекарными свойствами, бобовые с полноценными аминокислотным составом. В настоящее время выращивание трансгенных растений (сои, кукурузы, риса, пшеницы, томатов и др.) стало реальностью, по некоторым культурам – до половины всего производства.

В основе таких сложных и нужных работ лежат фундаментальные знания по биологии.

1. Основные этапы развития биологических наук. Методы исследований.

Существование человека с момента его возникновения было настолько неотделимо от окружающего живого мира, что он был вынужден познавать его, собирать и передавать сведения о растениях и животных другим поколениям.. Уже в Древнем Египте, Вавилоне, Индии были сделаны первые попытки разделить (классифицировать) организмы на полезные (можно использовать в пищу) и опасные (ядовитые, хищники), на животные и растения. В период рабовладельческого строя были заложены основы будущей зоологии, ботаники, анатомии и медицины.

Начало развития биологии как науки – эпоха Возрождения. В 16-18 веке благодаря географическим открытиям, быстрому накоплению новых знаний, изобретению микроскопа стало возможным открытие клетки и микроорганизмов. В это же время была предпринята попытка создания классификации живого мира (описательный метод).

19 век - важнейшие события в биологии: создание клеточной теории, открытие законов наследственности (экспериментальный метод), эволюционная теория (впервые использован исторический метод).

20 век – глобальные открытия в области строения клеточных структур, материала и механизмов передачи наследственной информации, появление и быстрое развитие генной инженерии, расшифровка генетического кода человека, клонирование животных.

Некоторые важнейшие этапы и открытия в биологии и микробиологии будут рассмотрены более подробно в следующих лекциях.

1.4 Сущность, возникновение и развитие жизни. Разнообразие форм жизни

Существует много определений, с разной степенью точности отражающих жизнь как явление. Все они спорны. Никто еще точно, полно и однозначно не смог раскрыть понятие жизнь, определить, где и когда она возникла. Мы можем говорить только о разных гипотезах и определениях. Например, жизнь – это высшая форма материи, отличающаяся от других форм способностью к самовоспроизведению. Другое определение: жизнь – способ существования белковых тел с постоянным обменом с окружающей средой.

Современное научное определение: жизнь – макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ и тонко регулируемый поток энергии.

Существуют различные теории происхождения жизни. Гипотеза об абиогенном происхождении жизни из неживой материи возникла еще в древние века (лягушка может появиться из грязи, мыши – из горсти зерна и грязных тряпок). Противоположная ей теория биогенеза говорит о том, что живое может возникнуть только из живого, которое существовало вечно (теория стационарного состояния). Существует также гипотеза панспермии – жизнь занесена из космоса, однако она не отвечает на вопрос: а как вообще возникла жизнь, пусть и на другой планете?

Мы будем рассматривать только научные теории (т.е. прежде всего доказанные фактами), существуют и религиозные объяснения – по воле творца.

Теория абиогенеза вернулась уже на другом уровне в начале 20 века в виде теории необиогенеза Опарина-Холдейна (1928). Согласно этой теории первые живые одноклеточные организмы возникли путем эволюции из органических веществ, образовавшихся из неорганики, в результате химических реакций, протекавших в специфических условиях, сложившихся на Земле 3,5-3,8 млрд лет назад:

• бескислородная первичная атмосфера, содержащая в основном водород, метан, воду и аммиак;

• воздействие УФ-излучения, тепла вулканических процессов, электрических разрядов;

• наличие воды в виде жидкости (0-100° С, растворитель);

• наличие большого количества разнообразных химических элементов.

Стадии биогенеза (по Опарину-Холдейну):

1. Стадия неорганического фотосинтеза – образования органических веществ под действием мощного УФ-излучения.

2. Стадия коацервации (образования коацерватных капель)

3. Стадия образования оболочек и мембран.

4. Стадия появления метаболизма.

5. Стадия воспроизведения (редупликации).

Так появились первые хемосинтезирующие прокариотические клетки. Затем, в результате симбиоза нескольких типов прокариот, возникли более совершенные эукариотические клетки с автотрофным и гетеротрофным типом питания.

В результате эволюции (в соответствии с современной теорией неодарвинизма) под воздействием таких факторов как изменчивость, естественный отбор, изоляция, популяционные волны происходило совершенствование структурной организации живых организмов (крупные изменение – ароморфозы, например, появление аэробного типа дыхания, многоклеточности, теплокровности). Кроме того, организмы приспосабливались к разнообразным условиям обитания (идиоадаптация). Приспособление происходило также путем упрощения строения (дегенерация, у паразитических форм). В результате на Земле можно наблюдать огромное разнообразие форм жизни.

Все современные живые организмы подразделяются на две империи: неклеточные (вирусы) и клеточные. Клеточные разделяют на два надцарства – истинно ядерные (эукариоты) и доядерные (прокариоты). Ядерные включают царства грибы, растения, животные, доядерные – бактерии.

В подцарстве эукариот есть одноклеточные и многоклеточные организмы. Царство животных делится на 26 типов, например, простейшие (Protozoa), Chordata - хордовые, подтип позвоночные, классы – костные рыбы, земноводные, птицы, пресмыкающиеся, млекопитающие. Классы делятся на отряды, роды, виды. В настоящее время насчитывается около 1,5 млн животных (в т.ч. 0,9 млн насекомых), 0,5 млн видов растений. Идентифицированы тысячи видов бактерий, однако ведущие микробиологи считают, что это лишь малая доля существующих микроорганизмов.

1. Свойства живых систем

Что отличает живую природу от неживой? Каковы свойства живой материи?

В разных источниках на этот вопрос отвечают по-разному. Например, свойства живых организмов можно изложить в следующей последовательности.

1. Самовоспроизведение (репродукция) – способность к воспроизведению себе подобных (размножению), в основе - передача наследственных признаков, носителем которых является ДНК в неизменном виде (наследственность) и возможность появления новых признаков (изменчивость); связанная с эти включенность в процесс эволюции.

2. Обмен веществ (метаболизм) – упорядоченность химических реакций, обеспечивающих клетку веществами и энергией (питание, дыхание, выделение).

3. Рост и развитие – увеличение числа и массы клеток (рост), их усложнение и дифференцирование (развитие).

4. Специфичность и упорядоченность структуры – каждое живое существо имеет определенную форм, размеры, строение, особенности обмена веществ, причем такая сложная система способна самосохраняться длительное время.

5. Внутренняя регуляция, раздражимость, возбудимость, движение (характерно для многоклеточных организмов, разные формы и механизмы).

6. Специфичность взаимоотношений со средой. В процессе эволюции каждый организм адаптировался к определенным условиям внешней среды и взаимодействию с другими живыми организмами; эти отношения специфичны для каждого организма, как и его воздействие на природу.

! Все свойства тесно связаны между собой и определяют уровни организации живых систем.

1. Уровни организации живых систем

Живая природа – иерархическая (соподчиненная) система, включает ряд уровней.

1. Молекулярно-генетический - уровень взаимодействия биологических макромолекул, важнейшие из которых – нуклеиновые кислоты и белки.

2. Клеточный уровень описывается клеточной теорией, огромная роль принадлежит клеточному метаболизму как системе потоков энергии, вещества, информации.

3. Тканевый, органный рассматривает совокупность сходных по строению клеток и межклеточного вещества, объединенных выполнением общей функции.

4. Организменный или онтогенетический, рассматривает особь в ее развитии от момента зарождения до прекращения существования.

5. Популяционно-видовой - совокупность особей, сходных по определенным признакам. Вид – группа морфологически сходных организмов, имеющих общее происхождение и потенциально способных к скрещиванию между собой в естественных условиях. Популяция - изолированная группа организмов одного вида, скрещивающихся между собой.

6. Биогеоценотический уровень – изучает биогеоценозы как устойчивые во времени сообщества организмов, взаимодействующих с живой природой.

7. Глобальный или биосферный – единый комплекс биогеоценозов Земли.

! Все уровни тесно взаимосвязаны.

Более подробно самые важные уровни будут рассмотрены в следующих лекциях.

1. Молекулярно-генетический уровень организации живой природы. Основы генетики.

2.1 Химический состав клетки.

Из 110 элементов Периодической системы Д.И.Менделеева в составе организмов обнаружено более половины, 24 являются обязательными.

Четыре – углерод С, кислород О, водород Н и азот N – составляют 98% живого вещества. Вместе с серой S и фосфором P образуют группу биогенных элементов. В существенных количествах (макроэлементы) в организмах обнаружены калий К, натрий Na, кальций Ca, магний Mg, железо Fe, хлор Cl. Остальные – микроэлементы (Zn, Cu, F, I) и ультрамикроэлементы.

Неорганические компоненты:

• вода, находится в свободной и связанной форме, выполняет функции растворителя, среды и участника метаболических процессов;

• минеральные вещества играют основную роль в поддержании осмотического давления и кислотно-основного равновесия, являются также кофакторами в ферментах, участвуют в процессах метаболизма, в т.ч. важнейших – энергетическом обмене, являются структурными компонентами некоторых тканей.

Органические компоненты:

• белки – полимеры, состоящие из аминокислот, в т.ч. незаменимых; структура белка – первичная, вторичная, третичная, четвертичная; формы связи – пептидная, дисульфидная, водородная, ионная; гидрофобные, гидрофильные связи; функции - структурная, ферментативная, иммунологическая, сократительная, энергетическая;

• липиды – по строению триглицериды, простые, сложные, функции – энергетическая, структурная, гормональная;

• углеводы (моносахариды, олигосахариды, полисахариды – крахмал, гликоген, целлюлоза), функции – структурная, энергетическая;

• нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), основная функция - передача наследственной информации.

Наука, которая изучает структуру материальных носителей наследственности и изменчивости и закономерности их функционирования - генетика.

2.2 История развития и методы генетики

Чем и как обеспечивается передача наследственных признаков? Первые попытки ответить на этот вопрос обоснованно были сделаны Грегором Менделем в 1865 году. Проводя опыты по скрещиванию гороха, он пришел к заключению, что наследственный представлен парными задатками, каждый из которых отвечает за определенный признак организма.

В 1911-1920 Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности.

В 1944 Эйвери доказал, что вещество наследственности – это нуклеиновые кислоты, а в 1953 году Уотсон и Крик создали пространственную модель ДНК.

В 60-е годы была проведена расшифровка генетического кода (Холли, Корана, Ниренбергер), осуществлен первый синтез гена в лаборатории (Корана), создана теория регуляции синтеза белка на основе оперона (теория Жакоба и Моно).

В 70-е годы были разработаны первые методы генной инженерии, а уже в конце 20 века реальностью стало клонирование животных и производство трансгенных растений в промышленных масштабах.

Методы изучения наследственности и изменчивости (генетики):

• гибридологический (основан Менделем);

• генеалогический (составление и анализ родословных);

• близнецовый (роль наследственности и среды);

• цитогенетический (исследование хромосом под электронным микроскопом);

• популяционный (исследование распространения отдельных генов или хромосомных аномалий в популяциях);

• мутационный (воздействие на гены и изучение последствий);

• рекомбинационный – изучение частоты скрещивания (рекомбинации, кроссинговера) между генами в одной хромосоме, составление карт хромосом;

• метод селективных проб (биохимический) – установление изменения последовательности аминокислот в полипептидной цепи как результата генных мутаций.

Основная цель методов генетики – определить последовательность генных локусов и тонкую структуру генов, а также их связь с наследуемыми признаками. Геном разделяют на хромосомы, хромосомы – на группы сцепления, затем на отдельные гены.

2.3 Химическое строение и уровни организации ДНК

Модель структуры ДНК, разработанная американскими учеными Уотсоном и Криком, представляет собой трехмерную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, комплементарно связанных между собой.

ДНК - полимер, мономерами в котором являются нуклеотиды – химические соединения, состоящие из:

- углевода с пятичленным циклом (дезоксирибозы),

- азотистого основания (аденина, гуанина, тимина или цитозина),

- остатка фосфорной кислоты.

Соединение нуклеотидов в цепи осуществляется через взаимодействие фосфата одного нуклеотида с гидроксилом пентозы при С3 другого, т.е. через образование фосфодиэфирной связи.

Принцип комплементарности означает, что при образовании связей между двумя полинуклеотидными цепями аденин одной цепи соединяется только с тимином другой (А=Т), а гаунин – только с цитозином (Г≡Ц).

Современная генетика выделяет три уровня организации ДНК как материала наследственности и изменчивости: генный, хромосомный, геномный.

2.4 Генный уровень организации ДНК

Ген – это элементарная функциональная единица наследственности, определяющая возможность развития отдельного признака клетки или организма. По химическому строению ген – это участок молекулы ДНК, содержащий информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепи (белке).

Многообразие жизни обусловлено разнообразием белковых молекул, выполняющих важнейшие биологические функции (ферментов – биокатализаторов всех реакций метаболизма, структурных компонентов). Свойства определяются структурой белка, обусловленной в свою очередь набором и расположением (последовательностью) аминокислот в полипептидной цепи. Именно эта последовательность закодирована в ДНК.

Ген обладает определенными свойствами, которые кратко могут быть описаны следующим образом.

1. Ген - кодирующая система. Генетический код:

• называется триплетным, т.к. каждая аминокислота шифруется последовательностью трех нуклеотидов.

• является универсальным (одинаков для всех живых систем от бактерий до человека, один и тот же триплет кодирует одну и ту же аминокислоту);

• имеет кодоны-терминаторы, которые не кодируют аминокислоты, но служат стоп – сигналами и обозначают конец белковой цепи;

• является вырожденным (каждая аминокислота кроме метионина и триптофана кодируется более чем одним кодоном).

2. Ген обладает способностью к ауторепродукции (самоудвоению – репликации).

Двойная спираль ДНК в отдельных участках расплетается под действием фермента геликазы, образуются т.н. репликационные вилки. В каждой такой области при участии ДНК-полимеразы синтезируется ДНК двух дочерних молекул, одна быстрее от 5 к 3 концу – лидирующая цепь, вторая короткими фрагментами – фрагментами Оказаки, это отстающая цепь. Конечный результат – образование двух одинаковых молекул ДНК с одинаковой последовательностью нуклеотидов. Фрагмент ДНК от начала репликации до ее окончания называется репликоном

3. Ген обладает способностью к мутациям.

Генные (точечные) мутации – изменение нуклеотидов внутри гена, например, вставки, выпадение (делеции), дупликации (удвоение); инверсии (перестановки).

Т.к. живые организмы стремятся к сохранению своей целостности и индивидуальности в виде вида, в природе существуют определенные механизмы сохранения нуклеотидной последовательности и предотвращения мутаций – механизмы репарации.

2.5. Хромосомный уровень организации ДНК

Гены объединены в комплексы – хромосомы (термин ввел Вольдейер в 1888 году, назвав так внутренние структурные элементы эукариотической клетки, хорошо прокрашивающиеся основными красителями).

Важнейшие положения хромосомной теории наследственности были сформулированы Морганом в начале 20 века:

1. Гены расположены по длине хромосом линейно.

2. Гены в хромосомах образуют группы сцепления и взаимодействуют, причем сила взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию между генами.

3. Гены подвержены рекомбинации при мейозе в процессе кроссинговера.

Химический состав хромосом – ДНК и белки, которые можно разделить на две основных группы: гистоны и негистоновые.

В интерфазе генетический материал находится в виде хроматина (эу и гетеро), который в профазе уплотняется до состояния видимых под микроскопом хромосом. В процессе уплотнения (компактизации) ДНК выделяют 5 уровней:

- нуклеосомный,

- нуклеомерный,

- хромомерный,

- хромонемный,

- хромосомный.

В результате происходит суперспираллизация нити ДНК в 8 тысяч раз.

В зависимости от места положения центромеры и длины плеч различают следующие морфологические типы хромосом:

• метацентрические (равноплечные);

• субметацентрические (центромера несколько сдвинута к одному из концов);

• акроцентрические (центромера сильно смещена к концу);

• телоцентрические (центромера на конце, второго плеча нет).

2.6. Геномный уровень организации ДНК

Геном – совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов. В процессе оплодотворения геномы родительских клеток объединяются, образуя диплоидный набор хромосом определенной морфологии и числа – кариотип.

Кариотип можно охарактеризовать с помощью т.н. 4 правил хромосом.

1. Правило постоянного числа хромосом (для каждого вида характерно строго определенное число хромосом; в соматических клетках – диплоидный набор, в половых – гаплоидный).

2. Правило индивидуальности хромосом (в гаплоидных клетках каждая хромосома имеет индивидуальное строение – размер, форму, расположение центромеры).

3. Правило парности хромосом (каждая индивидуальная хромосома гаплоидного набора имеет себе пару в соматических диплоидных клетках, т.е. сходную по морфологии и функциям – гомологичную, парные гены в гомологичных хромосомах - аллельные).

4. Правило непрерывности хромосом (каждая хромосома образуется только из хромосомы путем редупликации).

Кариотип является специфическим признаком организма. Зависимость между числом хромосом и уровнем эволюционного развития не установлена. Так, например, у прокариот – 1 хромосома, у одноклеточных эукариотов – несколько, у человека – 46, но у шимпанзе и таракана – 48, сазан имеет 104 хромосомы. Представители разного пола, имея в наборе в основном одинаковые хромосомы (аутосомы), отличаются по одной паре (половые или гетерохромосомы). Пример: у человека ХХ и ХУ – половые хромосомы.

1. Генотип и фенотип. Наследственность, изменчивость. Формы изменчивости

Генотип – наследственная информация, закодированная в генах, полученных организмом от родителей.

В результате реализации наследственной информации формируется организм с определенным фенотипом. Так называется весь комплекс внешних и внутренних признаков организма (форма, размеры, окраска, химический состав, поведение, биохимические особенности и др.).

Фенотип является результатом взаимодействия генотипа и среды. Для реакции организма с определенным генотипом на воздействие фактора внешней среды характерен определенный диапазон разнообразия фенотипов, который называется нормой реакции (размер растения, вес человека и т.д.). Гомеостаз – генетически детерминированная способность организмов сохранять свой статус в изменяющихся условиях внешней среды.

Наследственность – свойство клеток (организмов) передавать новому поколению общие признаки и свойства данного типа клеток и вида организмов, а также некоторые индивидуальные особенности родителей. Обеспечивает определенный консерватизм организации живых систем, закрепляет в ряду поколений биологически полезные эволюционные приобретения, возникающие в результате изменчивости. Виды и типы наследования, законы Менделя и Моргана будут изучены на лабораторных занятиях.

Изменчивость – свойство клеток (организмов) приобретать изменения и существовать в различных вариантах. Наследственность и изменчивость разнонаправлены, но в природе образуют неразрывное единство, определяют фенотип и генотип организма.

Различают две основные формы изменчивости – фенотипическую и генотипическую.

1. Фенотипическая (модификационная) – охватывает изменения различных признаков, происходящих под влиянием условий внешней среды, носит обратимый характер, не затрагивает гены.

2. Генотипическая – связана с изменением генов, передается по наследству. Различают два вида генотипической изменчивости: мутационную и комбинативную (или комбинационную).

Мутации - внезапные, скачкообразные изменения структуры наследственного материала, могут быть генные, хромосомные, геномные; они могут происходить под влиянием физических, химических, биологических факторов; могут быть спонтанными и индуцированными.

Генотипическая комбинационная изменчивость – связана с процессами, происходящими при мейозе (кроссинговере). Этот вид изменчивости обусловлен рекомбинацией генов, в результате меняется характер их взаимодействия, что проявляется в изменении признака.

У прокариот обнаружены особые формы комбинативной изменчивости (трансформация, трансдукция, конъюгация)

1. Клеточный уровень организации живой материи

3.1. Основы клеточной теории

Открытие и изучение строения клетки стало возможным после изобретения микроскопа в 1590 году (братья Янсены, голландские механики).

В 1665 английский ученый Роберт Гук заметил в тонком срезе пробковой пластинки ячейки и назвал их клетками. Бактериальные клетки впервые увидел и описал Антони Ван Левенгук.

В 1839 физиолог Теодор Шванн совместно с ботаником Маттиасом Шлейденом сформулировал основы клеточной теории, согласно которой все живое состоит из клеток. Однако они допускали возможность возникновения клеток из неклеточного вещества.

В 1855 году немецкий ученый Рудольф Вирхов дополнил теорию важнейшим положением: «Всякая клетка происходит из другой клетки». Вирхов применил клеточную теорию в медицине, доказав, что всякое болезненное состояние связано с патологическими процессами в клетках, составляющих организм.

В 1866 Геккель установил, что хранение и передачу наследственной информации осуществляет ядро. В конце 19 века описано клеточное деление, описаны хромосомы, митохондрии, пластиды, аппарат Гольджи.

К началу 20 века возможности светового микроскопа были исчерпаны, что затормозило развитие цитологии. После создания электронного микроскопа появилась возможность исследовать ультраструктуру клетки.

Клеточная теория постоянно развивается и дополняется с учетом самых последних достижений в области цитологии. В современном виде включает 3 основные положения:

1. Клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых систем – одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных (вирусы), т.е. является элементарной структурной, функциональной и генетической единицей живого.

2. В настоящих условиях единственным способом возникновения новых клеток является деление предшествующих.

3. Многоклеточный организм обладает свойствами высокоорганизованной системы, которые нельзя свести только к сумме свойств составляющих его клеток.

3.2. Типы и принципы клеточной организации. Эволюция клетки

Клетки живых организмов могут быть разными по форме (например, у бактерий – шаровидные, палочковидные, извитые, ветвящиеся), размерам (от долей мкм до нескольких см – яйцеклетки у птиц), функциям (самостоятельные одноклеточные, строго дифференцированные в многоклеточных организмах).

Но все они сходны по химическому составу, строению, функционированию. Это свидетельствует о единстве происхождения всего живого на Земле, и является одним из доказательств теории эволюции.

По характеру организации ДНК как материала наследственности и изменчивости все клетки делятся на 2 основные группы: прокариотические (доядерные) и эукариотические (истинно ядерные).

Представители прокариот: бактерии, сине-зеленые водоросли.

Представители эукариот: грибы, в т.ч. дрожжи и плесени, растения и животные (многоклеточные эукариотические организмы).

Эукариотические клетки крупнее, лучше изучены, имеют более сложное строение. Все многоклеточные состоят из клеток эукариотического типа.

3.3 Гипотезы эволюции клетки.

Как появились эукариоты? Существуют разные гипотезы, наиболее доказанные – симбиотическая и инвагинационная.

Симбиотическая гипотеза: эукариоты образовались из прокариот разных типов путем объединения - симбиоза. Пластиды растительных клеток – бывшие прокариотические сине-зеленые водоросли; митохондрии - аэробные бактерии, вступившие в симбиоз с анаэробами; жгутик – от спирохетообразных бактерий; ядро – рудимент древнего клеточного прокариота – симбионта, утратившего цитоплазму после включения в клетку; центриоли – из базальных телец жгутиков. К фактам, подтверждающим гипотезу, относятся симбиотические взаимоотношения современных микроорганизмов и простейших, а также то, что пластиды и митохондрии – это автономные органеллы, имеющие собственный генетический аппарат, делящиеся простым делением, как прокариоты, и имеющие рибосомы той же молекулярной массы, что и у прокариот. Однако, имеются факты, противоречащие гипотезе: белковый состав жгутиков и некоторых других органелл различен у ЭУкариот и ПРОкариот, кроме того, у прокариотических клеток не обнаружено способности к пино- и фагоцитозу, тем более к захвату целых клеток.

Инвагинационная гипотеза: предок современных эу – аэробный прокариот, у которого в результате мутации (при облучении) образовалось несколько ДНК, прикрепленных к мембранам; эти участки впячивались и отшнуровывались со специализацией в ядро, митохондрии, пластиды, затем происходило усложнение ядерной структуры.

Строение клетки отличается высокой степенью упорядоченности, которая обеспечивается благодаря компартментации - подразделению на участки, отличающиеся химическим составом и функциями. Такое подразделение обеспечивает пространственное разделение веществ и процессов. Важная роль в осуществлении этого принципа принадлежит системе биологических мембран, которая наиболее выражена у эукариот.

3.4 Анализ строения эу- и про-

К обязательным компонентам всех типов клеток относятся: цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, рибосомы, генетический аппарат. Для эукариотических животных и растительных клеток также характерны митохондрии, комплекс Гольджи, эндоплазматическая сеть, лизосомы, пероксисомы, микротрубочки, клеточный центр. Специфическими компонентами растительной клетки являются клеточная стенка из целлюлозы, пластиды разных типов и центральная вакуоль. К специфическим компонентам бактериальных клеток относятся клеточные стенки, плазмиды, капсулы, жгутики, пили, споры и др

3.5. Обязательные структурные компоненты клетки и их функции

Цитоплазматическая мембрана (плазмалемма) имеет сложное строение, наиболее доказанной является жидкостно-мозаичная модель структуры, включает:

• билипидный слой (снаружи проявляет гидрофильные свойства, внутри - гидрофобные);

• различные белки, в т.ч. перифирические, интегральные, полуинтегральные;

• углеводные цепочки (олигосахариды), связанные с белками и липидами.

Функции:

• регулирует обмен веществами между клеткой и средой, является полупроницаемой мембраной;

• рецепторная функция, связанная с узнаванием веществ и других клеток, особая роль в органогенезах, иммунном ответе.

Цитоплазма (цитоплазматический матрикс, гиалоплазма) - это внутренняя среда клетки, представляет собой гетерогенную многофазную коллоидную систему, неоднородную по структуре. В цитоплазме находятся органеллы (органоиды, постоянные структурные компоненты) и клеточные включения (непостоянные структурные компоненты, обычно это запасные питательные вещества или непереваренные остатки пищи). В цитоплазме находятся микротрубочки, составляющие цитоскелет клетки.

Функции цитоплазмы:

• объединяет все внутренние структуры и обеспечивает их взаимодействие;

• играет большую роль в делении клетки (особенно при развитии зародыша), у некоторых организмов – в движении (амебовидное).

Генетический аппарат эукариот представлен четко выраженным ядром, которое имеет сложную структуру. В состав ядра входят:

• ядерная оболочка из двух мембран;

• ядерные поры, через которые осуществляется обмен между ядром и цитоплазмой;

• хроматин (состояние ДНК в интерфазе, гетеро- и эухроматин – диффузный) или хромосомы (в профазе митоза);

• ядрышко, в котором идет синтез РНК и рибосом;

• нуклеоплазма (внутреннее однородное содержимое ядра).

Генетический аппарат прокариот представлен кольцевой молекулой ДНК (нуклеоид или бактериальная хромосома), которая располагается непосредственно в цитоплазме и не отделена от нее оболочкой. В клетках некоторых бактерий имеются также маленькие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды, которые способны передавать некоторые неосновные признаки (например, антибиотикоустойчивость) и используются в генной инженерии как векторы – переносчики генов.

Функции:

• Ведущая роль в делении клетки и передаче наследственных признаков.

• Содержит информацию о регуляции жизнедеятельности клетки (и многоклеточного организма).

Рибосомы – округлые образования, могут свободно располагаться в цитоплазме или находиться на шероховатой эндоплазматической сети, образуя цепи - полисомы. Рибосомы эукариот отличаются большей молекулярной массой и имеют коэффициент седиментации 80S, рибосомы прокариот меньше – 70S. Состоят из белка и РНК; в структуре выделяют большую и малую часть (субъединицы). Функция: биосинтез белка.

3.4 Структура и функции органелл, характерных для эукариотических клеток

Эндоплазматическая сеть (ЭПС, эндоплазматический ретикулум)

По структуре представляет собой разветвленную систему трубочек и пластинок. Две разновидности – гранулярная (шероховатая, ШЭС) и гладкая (ГЭС), шероховатая связана с ядерной мембраной.

Функции:

• транспорт различных органических и неорганических соединений;

• обеспечивает синтез белка (ШЭС);

• детоксикация продуктов метаболизма (ГЭС).

Митохондрии – овальные (или ветвящиеся) образования со сложной структурой, включающей:

• внешнюю гладкую оболочку;

• внутреннюю складчатую оболочку с перегородками – кристами;

• гомогенный матрикс;

• рибосомы;

• кольцевую молекулу ДНК;

• фосфатные гранулы и полисахариды.

Функция: извлечение энергии из органических веществ при их окислении, накопление энергии в виде АТФ и снабжение клетки энергией (энергетический центр клетки)

Комплекс Гольджи (аппарат Гольджи)

По структуре представляет собой стопку уплощенных цистерн, по краям которых располагаются пузырьки Гольджи.

Функции:

• формирование первичных лизосом;

• участие в синтезе сложных органических молекул.

Лизосомы - пузырьки с одиночной мембраной. Бывают нескольких видов:

• первичные – из пузырьков Гольджи, неактивные;

• вторичные (пищеварительные вакуоли) – активное расщепление веществ, после слияния первичных с фагоцитозными или пиноцитозными вакуолями;

• телолизосомы (остаточные тельца) – содержат непереваренные остатки;

• аутолизосомы – переваривают внутриклеточные компоненты, ставшие ненужными или чужеродные вещества.

Функция: гидролитическое ферментативное расщепление (переваривание) различных веществ

Центриоли - цилиндры, состоящие из 9 триплетов микротрубочек, образуют клеточный центр, обнаружены в животных клетках и клетках низших растений. Функция: формирование веретена деления в профазе митоза.

Клеточные включения – разнообразные запасные питательные вещества (гранулы гликогена, крахмала, серы, железа, пигментов, жировые капли и др.)

Пластиды – органеллы, специфические для растительных клеток. Различают 3 вида (могут превращаться друг в друга):

• хлоропласты, функция - осуществление процесса фотосинтеза органических веществ из СО₂ и Н₂О;

• хромопласты – окрашенные нефотосинтезирующие, содержат красные, оранжевые, желтые пигменты, функция – привлечение насекомых и переносчиков семян;

• лейкопласты – бесцветные, в неосвещенных частях растений (корни, семена), функция – накопление питательных веществ.

Клеточная стенка растений состоит из целлюлозных микрофибрилл, матрикса (пектины, гемицеллюлозы), срединной пластинки, плазмодесм, формирующих связь между клетками. Функции:

• обеспечение механической прочности и опоры растения;

• транспорт воды и минеральных веществ.

Вакуоли (центральная или несколько крупных) - округлые образования с мембраной – тонопластом, мешочки с растворенными веществами. Функция: поддержание нормального осмотического давления в клетке, сохранение питательных веществ и продуктов метаболизма клетки. Характерны для растительных и грибных клеток.

4 Метаболизм клетки

4.1 Основные процессы метаболизма клетки

Метаболизм – это обмен веществ и энергии, обеспечивающийся совокупностью химических реакций, упорядоченных во времени и пространстве (последовательных, протекающих в определенных участках клетки, обеспечивается принципом компартментации), и регулирующийся генетически.

Основные процессы метаболизма – анаболизм и катаболизм.

Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) – синтез сложных веществ, необходимых клетке (организму), из простых, идет с затратой энергии. Примеры: синтез глюкозы из СО₂ и Н₂О при фотосинтезе, синтез белка из аминокислот, репликация - синтез ДНК из нуклеотидов, полисахаридов из моносахаров и т.д.

Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) – распад сложных веществ с высвобождением энергии и образованием простых веществ (мономеров) – строительных элементов для анаболизма. Пример: гликолиз.

Промежуточные реакции перестройки одних веществ в другие называют амфиболизмом.

К живым организмам применимы законы термодинамики.Закон сохранения энергии: Е_солнца → Е_{органического вещества}→ АТФ → различные формы работы (химическая, регуляторная, осмотическая, электрическая, механическая).

Живой организм – открытая саморегулирующаяся система, которая поддерживает высокий уровень упорядоченности за счет энергии, генерируемой Солнцем.

Все эти процессы являются ферментативными и регулируются генами, т.е. неразрывно связаны с передачей наследственной информации, поэтому в настоящее время выделяют 3 основных потока, образующих единую систему метаболизма:

4.2. Способы питания. Механизмы поступления питательных веществ в клетку

Поток вещества включает процессы поступления питательных веществ (процесс питания), переваривания (расщепление сложных молекул на простые) и дыхания (окисление органических веществ с высвобождением энергии и аккумулированием ее в виде АТФ).

Различают голозойный (поглощение питательных веществ в виде твердых частиц, переваривание в специальных пищеварительных органах, у животных) и голофитный (всасывание через поверхность в виде растворов, у растений, грибов и бактерий) способы питания. Затем питательные вещества должны поступить в клетки.

Механизмы поступления питательных веществ в клетку могут быть следующими.

1. Пассивная (простая) диффузия – за счет разности концентраций веществ в клетке и в среде (очень редко, только вода, кислород и некоторые ионы, чаще другой механизм – облегченная диффузия).

2. Облегченная диффузия – тоже за счет разности концентраций, но с использованием специальных ферментов-переносчиков в мембране (транслоказ), выход продуктов метаболизма осуществляется так же.

3. Активный транспорт (АТ) - против градиента концентраций, с использованием ферментов-переносчиков и затратой энергии, на 1 молекулу перенесенного вещества затрачивается энергия 1 молекулы АТФ. Различают первичный АТ с использованием химической энергии и вторичный АТ с использованием энергии протонного потенциала (симпорт, антипорт, унипорт). Некоторые вещества (фруктоза, глюкоза) проникают в клетку в химически модифицированном виде, обычно в виде фосфатного эфира (транслокация). Пример АТ – натрий-калиевый насос. Внутри клетки больше ионов К⁺, в окружающей среде – ионов натрия, чтобы поддерживать такое равновесие постоянно работают механизмы избирательного переноса ионов К.

4. Транспорт в мембранной оболочке – фагоцитоз (захват мембраной и переваривание твердых частиц, а затем проникновение в клетку), пиноцитоз (захват мембраной капель растворенного вещества). Используется некоторыми типами животных эукариотических клеток.

По типу питания (точнее, по источнику углерода) все организмы делятся на:

• автотрофы – использующие неорганический источник (СО2) и самостоятельно синтезирующие органические вещества;

• гетеротрофы – используют органические источники углерода;

• миксотрофы – смешанный тип.

4.3 Фотосинтез как основа автотрофного питания

В зависимости от энергии, которая используется для синтеза органических веществ из неорганических, автотрофы делятся на фотоавтотрофы – используют энергию Солнца (растения, сине-зеленые водоросли, процесс называется фотосинтезом), и хемоавтотрофы - используют энергию химических реакций (хемосинтезирующие бактерии, нитрифицирующие бактерии – окисление аммиака до азотистой килоты, участие в круговороте азота, серобактерии – окисление сероводорода до свободной серы, железобактерии, относящиеся к домену археобактерий).

Все живое на Земле зависит от процесса фотосинтеза: только в этом процесс напрямую используется энергия солнечного света, а неорганический углерод становится доступным для живых организмов. При этом выделяется кислород, создающий защитную оболочку для живых существ и использующийся в процессах окисления.

Главную роль в процессах фотосинтеза играет хлорофилл, содержащийся в хлоропластах. Это автономные органеллы растительных клеток, включающие следующие структурные компоненты: двуслойная мембрана, матрикс (строма), тилакоиды (камеры с хлорофиллом), граны (стопки тилакоидов), соединяющие их ламеллы, ДНК, рибосомы, жировые капли, зерна крахмала. В настоящее время различают несколько типов хлорофилла (a, b, c, d) в зависимости от максимума поглощения.

Фотосинтез включает 2 фазы: световую и темновую.

В световую фазу (в гранах хлоропласта) идут реакции фосфорилирования и фотолиза.

Сущность фосфорилирования: энергия светового кванта передается электрону е хлорофилла, при этом он переходит на более высокий энергетический уровень, после чего проскакивает цепь переносчиков электронов (цитохромов), отдавая энергию на образование АТФ (из АДФ и фосфата) и НАДФ•Н₂ (из НАДФ⁺ и водорода), образующегося при фотолизе.

АТФ – биологические аккумуляторы энергии. По химическому строению – нуклеотиды. АТФ – аденозинтрифосфат, состоит из азотистого основания аденина, рибозы и 3 остатков фосфорной кислоты, причем последняя связь является макроэргической (при разрыве выделяется 40 кДж).

Параллельно идет фотолиз – расщепление молекул Н2О под действием энергии света, общее уравнение:

2 Н₂О → 4 Н⁺ + 4 ē + О₂↑

Восстанавливает НАДФ Поставщик О₂ в атмосферу

Закрывает «дырку» в хлорофилле

Темновая фаза: НАДФ•Н₂ и АТФ переходят в строму хлоропласта, где участвуют в синтезе углеводов. Общее уравнение:

6 СО₂ + 12 НАДФ•Н₂ + 18 АТФ → С₆Н₁₂О₆ +12НАДФ +18АДФ +18Ф +6 Н₂О

Химический механизм процесса образования глюкозы называется циклом Кальвина.

4.4. Биологическое окисление глюкозы как основа гетеротрофного питания

Гетеротрофы используют готовые органические вещества, синтезированные фототрофами или полученные от других гетеротрофов. Для высвобождения энергии используются процессы биологического окисления в анаэробных и аэробных условиях. Процесс протекает в несколько ступеней при участии комплекса ферментов и переносчиков электронов. Примерно 50% энергии запасается в виде АТФ, другая часть превращается в теплоту.

Окисление глюкозы – наиболее важный, основной процесс. На первом этапе идет окисление глюкозы до пировиноградной кислоты (пирувата, ПВК) с образованием 2 молекул АТФ (гликолиз).

В дальнейшем ПВК в отсутствие кислорода может окисляться до молочной кислоты или других веществ. Анаэробное окисление субстратов бактериями называется брожением и может быть также спиртовым, маслянокислым, уксуснокислым и т.д.

В присутствии кислорода идет аэробное окисление до Н₂О и СО₂, которое протекает в митохондриях и включает комплекс реакций – цикл Кребса или трикарбоновых кислот (ЦТК) и окислительное фосфорилирование.

Биологический смысл цикла Кребса: при переходе от одной карбоновой кислоты к другой отщепляется водород, который захватывается акцептором НАД или ФАД, которые восстанавливаются и передают энергию к АТФ в дыхательной цепи. После того, как Н⁺ отдал свою энергию, он связывается с О₂.

Общие уравнения:

С₆Н₁₂О₆ + 6 Н₂О → 6 СО₂ + 12 Н⁺ + 4 АТФ (гликолиз + цикл Кребса)

12Н⁺ + 6О₂ → 12 Н₂О + 34 АТФ (дыхательная цепь).

Таким образом, при полном окислении глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

Другие, более сложные питательные вещества сначала расщепляются до мономеров (полисахариды – на моносахара, белки – на аминокислоты, жиры – на глицерин и жирные кислоты), а затем могут включаться в ЦТК на разных этапах. ЦТК снабжает клетку не только энергией, но и веществами для синтеза необходимых клетке сложных молекул (возможно протекание обратных реакций).

4.5 Синтез белка как важнейший процесс метаболизма клетки

ДНК непосредственно в синтезе белка и формировании свойств живой системы не участвует. Передача информации от ДНК к белку, который определяет признак организма, т.е. экспрессия гена в признак, включает 2 этапа: транскрипцию и трансляцию.

Важную роль в этих процессах играет РНК. РНК отличаются по строению от ДНК тем, что имеет в составе углевод - рибозу, и вместо тимина – урацил. РНК бывают трех типов:

• и-РНК - информационная (или матричная), содержит информацию о последовательности аминокислот;

• т-РНК - транспортная, доставляет аминокислоты к месту сборки белка;

• р-РНК - рибосомная, структурный компонент рибосом.

Транскрипция – процесс считывания, переписывания информации с ДНК на и-РНК, который протекает в ядре клетки.

Место начала транскрипции – промотор. Это участок, к которому после раскручивания витка спирали ДНК и расхождения цепей прикрепляется фермент РНК-полимераза, который осуществляет синтез и-РНК от 5 к 3 концу цепи по принципу комплементарности, пока не встретится кодон – терминатор.

Трансляция – процесс синтеза белка, протекает вне ядра, в рибосомах, очень сложный, многоэтапный, для которого необходимы:

• набор аминокислот и их переносчиков,

• информация о структуре белка, которую приносит и-РНК из ядра,

• рибосомы,

• комплекс ферментов, катализирующих каждую реакцию,

• специальные цитоплазматические факторы.

Стадии трансляции:

1. Стадия активации аминокислот и присоединения их к т-РНК.

2. Стадия инициации, когда и-РНК, поступившая из ядра, соединяется с малой субъединицей рибосомы, при этом первый кодон несет информацию о МЕТионине; к нему присоединяется соответствующая транспортная РНК (тРНК-МЕТ), которая называется инициаторной; в результате образуется функционально активная рибосома с аминоацильным и пептидильным центром.

3. Стадия элонгации – удлинение пептида путем образования связи между двумя аминокислотами. Сначала первая аминокислота (Мет) теряет связь с т-РНК и присоединяется к аминокислоте в аминоацильном центре – образуется первая пептидная связь; затем происходит перемещение рибосомы относительно и-РНК на шаг, равный одному кодону; связь первой аминокислоты с аминоацильным центром нарушается. Процесс повторяется, происходит наращивание цепи.

4. Стадия терминации – завершение синтеза. Удлинение полипептидной цепи происходит до тех пор, пока в аминоацильном центре не появится один из терминирующих триплетов (УАА, ЦАГ, УГА), к нему присоединяется не т-РНК, а цитоплазматический фактор терминации. Происходит гидролитическое расщепление между пептидом и последней тРНК, освобождается готовый белок в виде цепочки аминокислот (первичная структура). Как правило, в таком виде белок является неактивным и не может выполнять своих функций в организме.

5. Стадия конформации – формирование более сложной структуры белка - вторичной, третичной, четвертичной, после чего белок начинает выполнять свою функцию в живой клетке, например, ферментативную или структурную.

5. Размножение организмов. Механизмы клеточного деления.

1. Способы размножения организмов

При всем многообразии форм размножения существует 2 основных способа: бесполый и половой. У некоторых видов они могут чередоваться (например, у тли).

Формы бесполого размножения:

• одной клеткой (моноцитогенное), в т.ч. равномерное деление (бактерии, саркодовые), множественное деление или шизогония (споровики, малярийный плазмодий), почкование или неравномерное деление (дрожжи), образование экзоспор (некоторые водоросли, грибы, мхи);

• группой клеток (полицитогенное вегетативное) – почками, клубнями, луковицами (растения), упорядоченное деление (медузы, кольчатые черви), неупорядоченное деление или фрагментация (ресничные, ленточные черви), почкование (губки, кишечнополостные), в эмбриональном развитии (некоторые млекопитающие, однояйцевые близнецы).

Бесполое размножение может основываться на двух механизмах – простое амитотическое деление (бактерии) и сложное - путем митоза (эукариотические клетки).

Сущность полового размножения – объединение в наследственном материале для развития потомка генетической информации от двух разных источников (родителей). Формы разнообразны (например, конъюгация у простейших и бактерий).

У многоклеточных растений и животных половое размножение связано с развитием женских и мужских половых клеток (гамет), их слиянием (оплодотворением) и образованием зиготы. Главный клеточный механизм образования гамет и полового размножения – мейоз.

В подразделении гамет на яйцеклетки и сперматозоиды, а особей на самок ♀ и самцов ♂ заключается явление полового диморфизма. Существуют и другие формы, например, гермафродитизм – образование гамет обоих видов в одном организме (плоские черви).

Оплодотворение – характерный признак полового размножения, но иногда новые организмы могут развиваться из неоплодотворенной яйцеклетки – явление партеногенеза у пчел и многих паразитов.

Некоторые живые организмы, обычно размножающиеся бесполым путем, способны к половому размножению. Возможно чередование поколений с бесполым и половым размножением (у тлей летом – бесполым, осенью – половое); это способствует повышению жизнеспособности особей, т.к. активизирует процессы изменчивости.

1. Митоз как основной механизм клеточного деления

Митоз - основной механизм бесполого размножения всех соматических клеток у многоклеточных и многих видов одноклеточных организмов, при котором получаются генетически точные копии родительской клетки. Митотический цикл является основным событием клеточного цикла - периода существования клетки от одного деления до другого (или смерти), и делится на интерфазу и митоз.

Интерфаза включает периоды:

• пресинтетический (клетки имеют диплоидное содержание ДНК, начинается рост клетки, синтез РНК, белка, накопление АТФ),

• синтетический (репликация ДНК, редупликация хромосом),

• постсинтетический (подготовка клетки к делению: интенсивный синтез белка, РНК, удвоение массы, резко увеличивается ядро, накопление энергии).

Механизм репликации: спираль ДНК расходится под действием фермента геликазы, каждая нить комплементарно достраивается до полноценной ДНК. Процесс протекает асинхронно в разных участках (репликонах), которые затем сливаются в одну молекулу ДНК.

Митоз (собственно деление), подразделяется на 4 фазы:

1. Профаза – стадия конденсации хромосом и формирования митотического аппарата (веретена деления). Происходит скручивание и спираллизация нитей ДНК, хромосомы становятся видимыми под микроскопом; разрушается ядрышко, распадается ядерная оболочка; центриоли клеточного центра расходятся к полюсам клетки, начинает образовываться веретено деления.

2. Метафаза – стадия сосредоточения хромосом в экваториальной плоскости клетки. Заканчивается образование веретена деления, удвоенные хромосомы располагаются строго по экватору (формируется экваториальная пластинка), центриоли хромосом (кинетохоры) прикрепляются к нитям (микротрубочкам) веретена деления, начинается продольное расщепление хромосом на сестринские хроматиды.

3. Анафаза – стадия расхождения хроматид к полюсам.

4. Телофаза – заключительная стадия митоза, стадия разделения клетки. Сестринские хромосомы достигают полюсов и деспираллизуются, разрушается веретено деления, клеточное тело разделяется (цитокинез) путем образования перетяжки в экваториальной части; формируются ядерные оболочки, восстанавливаются ядрышки.

В результате митоза образуются две самостоятельные клетки с таким же набором хромосом, как и родительская клетка.

Биологическое значение митоза огромно: обеспечение генетической стабильности поколений (дочерние клетки аналогичны родительским, сохранение одинакового набора генетического материала и наследственной информации о признаках организма); обеспечение эмбрионального развития, роста, регенерации, поддержание структурной целостности путем постоянного обновления и замещения клеток. Способствует поддержанию наибольшей приспособленности особи в обычных, неизменных условиях внешней среды.

1. Сущность, периодизация и значение мейоза.

Мейоз – форма клеточного деления, сопровождающегося уменьшением числа хромосом с диплоидного 2n до гаплоидного n. В исходной клетке происходит однократное удвоение хромосом (редупликация), за которым следует 2 цикла клеточных и ядерных делений, каждое из которых делится на фазы. Одна диплоидная клетка дает 4 гаплоидных.

Первое мейотическое деление.

Интерфаза 1. Увеличение числа органелл, увеличение клетки в размерах. Редупликация хромосом. 2п4с.

Профаза 1. Самая продолжительная фаза, разделяется на 5 стадий:

• лептотена – спираллизация, компактизация хромосом;

• зиготена – гомологичные хромосомы сближаются и образуют пары – биваленты, начинается скрещивание, коньюгация (синапс), начало в нескольких точках, потом по всей длине;

• пахитена – обмен участками ДНК (кроссинговер); соединение хромосом в кроссоверных участках, образуются мостики – хиазмы;

• диплотена – деспираллизация и частичное расхождение гомологичных хромосом, хиазмы пока сохраняются;

• диакинез – хромосомы полностью уплотняются, хорошо видны; ядерная оболочка и ядрышко исчезают, центриоли мигрируют к полюсам клетки, образуется веретено деления.

Метафаза 1. Биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости.

Анафаза 1. Центромеры с двумя хроматидами расходятся к полюсам.

Телофаза 1. Образование двух клеток с набором п2с, т.е. одинарным гаплоидным с двойными кол-вом ДНК; у некоторых растительных и у всех животных клеток хроматиды деспираллизуются.

Второе мейотическое деление.

Интерфаза 2. Происходит только в животных клетках, короткая; репликации ДНК не происходит.

Профаза 2. Ядрышки, ядерные мембраны разрушаются, хроматиды укорачиваются. Образование веретена деления.

Метафаза 2. Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора.

Анафаза 2. Центромеры делятся, две сестринские хроматиды направляются к противоположным полюсам. Отделившиеся хроматиды называются хромосомами, на каждом полюсе формируется гаплоидный набор.

Телофаза 2. Хромосомы деспираллизуются. Нити веретена деления исчезают. Вокруг хромосом формируется ядерная оболочка. Образуются клетки с гаплоидным набором хромосом nс.

Таким образом, в результате мейоза одна диплоидная клетка дает 4 гаплоидных (половых) клетки с измененными в результате кроссинговера хромосомами.

Биологическое значение мейоза: создает возможность для возникновения новых генных комбинаций, что ведет к изменениям в генотипе и фенотипе потомства, т.е. является основой генотипической изменчивости (три механизма – кроссинговер, независимое расхождение бивалентов в первом мейотическом делении, расхождение гомологичных хромосом и аллельных генов в разные гаметы). В результате получаются особи, генетически отличные от обоих родителей. Так обеспечивается разнообразие особей одного вида, создаются предпосылки к освоению разнообразных условий обитания, большей приспособленности к изменяющимся условиям среды.

1. Особенности гамет. Стадии гаметогенеза

Гаметы - одно из направлений дифференцировки клеток многоклеточного организма, в сравнении с другими клетками (эпителиальными, нервными, мышечными и т.п.) характеризуются рядом отличий:

• имеют гаплоидный набор хромосом (у всех остальных, соматических – диплоидный);

• необычное ядерно-цитоплазматическое соотношение – в яйцеклетке снижено, много питательного материала в цитоплазме, в сперматозоидах завышено;

• низкий уровень обменных процессов, близкий к состоянию анабиоза, сперматозоиды вообще не вступают в митотический цикл, яйцеклетки восстанавливают эту способность после оплодотворения;

• сложное строение оболочек, особенно в яйцеклетках, выполняют много функций – защита, обмен, внедрение зародыша в стенку матки, участие в формировании зародыша;

• цитоплазаматическая сегрегация, т.е. разные участки цитоплазмы имеют разный состав и выполняют разные функции, что играет роль в развитии зародыша;

• мужские гаметы имеют орган движения – жгутик.

Гаметогенез – процесс образования половых клеток: женских – овогенез, мужских – сперматогенез. Специализированные диплоидные соматические клетки, из которых образуются гаметы, называются сперматогониями и овогониями. Гаметогенез включает несколько стадий.

1. Стадия размножения – ряд последовательных митотических делений клеток, их количество существенно возрастает. У человека мужские гаметы образуются на протяжении всего периода половой активности, женские – в первые месяцы внутриутробного развития, процесс их формирования завершается к 3 годам.

2. Стадия роста - увеличение размеров клетки и превращение в сперматоциты и овоциты 1 порядка, накопление питательных веществ и энергии для деления, редупликация ДНК (интерфаза 1).

3. Стадия созревания – два последовательных деления, редукционное и эквационное, которые вместе составляют мейоз. После первого деления – сперматоциты и овоциты 2 порядка, после второго – сперматиды, зрелая яйцеклетка и редукционные (полярные) тельца.

4. Стадия формирования (только у мужских гамет) – изменения в строении сперматид (ядро уплотняется, появляется жгутик, у основания концентрируется митохондрии, перераспределение цитоплазмы), образуется сперматозоид.

Долгое время соматические и половые клетки противопоставлялись друг другу, считалось, что только половые могут передавать свойства жизни и участвовать в оплодотворении. В настоящее время экспериментально доказана возможность развития полноценного организма на основе наследственной информации ядра дифференцированной соматической клетки (первые эксперименты проводились на лягушках, сейчас реальностью стало клонирование овцы, коровы и др. животных).

Митоз и мейоз – это универсальные механизмы передачи биологической информации. Однако в природе существуют и другие пути, случайные, с положительными или отрицательными последствиями для эволюции вида.

Так, например, в клетках пищеварительного тракта одного из видов брюхоногих моллюсков сохраняются хлоропласты поедаемой водоросли, организм приобретает способность к фотосинтезу. Некоторые черви используют в качестве защиты стрекательные капсулы полипов, которых поедают (клептогенез, эволюция путем воровства).

Вирус опухоли кролика переносит в клетки человека ген синтеза фермента, который катализирует обмен аргинина. Если человек научится управлять этим и подобными процессами, можно будет лечить заболевания, связанные с нарушением метаболизма.

6 Онтогенез. Тканевый, органный, организменный уровни организации живой материи

1. Основные концепции онтогенеза – индивидуального развития организма.

Независимо от способа размножения начало новому организму дает клетка (оплодотворенная при половом размножении), содержащая гены - наследственные задатки, но не обладающая всеми признаками и свойствами организма. Развитие организма (онтогенез) заключается в постепенной реализации наследственной информации, полученной от родителей.

Каким образом генотип реализуется в фенотип? Ученые давно задумывались об этом. В результате сформировались 3 основных концепций онтогенеза.

Первая - преформизм – учение о том, что организм полностью сформирован (преформирован) в половых клетках в уменьшенном виде, а после оплодотворения начинается его рост. Возникло в античности, Гиппократ – основоположник. Отрицание развития, метафизическое учение. Наиболее популярно в 17-18 веках. Овисты отдавали предпочтение яйцеклеткам, анималькулисты – мужским половым клеткам.

Вторая - эпигенез – противоположное преформизму учение, признающее только развитие и отрицающее рост; яйцеклетка бесструктурна и однородна, все органы возникают как новообразование.

В 1828 году Карл Бэр доказал, что содержимое яйца неоднородно (учение о зародышевых листках) и степень неоднородности возрастает с развитием зародыша, выявил преемственность развития у разных классов животных и предложил рассматривать онтогенез как преобразование структур (третья концепция). Это основа современных представлений об онтогенезе как единстве роста и развития.

Особое внимание следует обратить на следующие понятия. Рост – это увеличение количества, размеров и массы клеток (т.е. количественные изменения). Развитие – качественные изменения в организме, обусловленные дифференцировкой клеток (разделением по морфологическим, биохимическим, функциональным признакам) и их ростом.

Онтогенез – целостный и непрерывный процесс, в котором отдельные события увязаны между собой в пространстве и времени. Онтогенез контролируется генами, т.е. детерминирован генетически, и тесно связан со средой.

1. Типы и периодизация онтогенеза.

Различают два типа онтогенеза: прямой и непрямой.

Прямой – неличиночный (рыбы, птицы, пресмыкающиеся, яйцеклетки богаты питательными веществами, значительная часть онтогенеза в яйце во внешней среде) и внутриутробный (млекопитающие, обеспечение жизненных функций и развития зародыша материнским организмом через плаценту, роль провизорных органов).

Непрямой – когда организм проходит через стадию личинки – зародыша, способного к самостоятельному существованию (насекомые, амфибии, иглокожие), для этого типа онтогенеза характерен метаморфоз – превращение в зрелую особь.

Этапы онтогенеза:

• пренатальный (дородовой, эмбриональный) – организм не способен к самостоятельному существованию, развивается внутри материнского организма и полностью зависит от него;

• постнатальный (послеродовой, постэмбриональный) – самостоятельное питание, передвижение и т.д.

Важнейшим событием онтогенеза является возможность осуществления размножения, по этому признаку выделяют следующие периоды онтогенеза:

• дорепродуктивный (особь не способна к размножению) подразделяют на эмбриональный и ювенильный;

• репродуктивный (наиболее стабильное состояние);

• пострепродуктивный – связан со старением, характерно прекращение участия в размножении, устойчивость снижается. Различают внешние признаки старости (снижение эластичности кожи, поседение волос, развитие дальнозоркости) и внутренние (обратное развитие органов, снижение эластичности кровеносных сосудов, нарушение кровоснабжения мозга, деятельности сердца и др.). Все это приводит к снижению жизнеспособности и повышению вероятности гибели.

Смерть как биологическое явление – универсальный способ ограничить участие многоклеточного организма в размножении, обеспечить смену поколений и эволюционный процесс. Скорость нарастания и выраженность изменений в процесс старения зависит от генотипа, условий жизни, образа жизни, в т.ч. питания

Существуют десятки гипотез, объясняющие механизмы старения. В настоящее время ученые рассматривают в качестве основных 2 причины старения:

• износ биологических структур вследствие возрастного накопления ошибок в клеточных механизмах под действием мутаций;

• генетически предопределенное разрушение.

В основе онтогенеза лежат определенные клеточные механизмы.

1. Механизмы онтогенеза.

1. Деление клеток – протекает с разной интенсивностью в разное время и в разных местах, носит клональный характер (все клетки являются потомками одной родоначальной клетки), подвержено мутационным изменениям.

2. Миграция – перемещение клеток (особая роль – миграция клеток мезенхимы, способных к амебоидным движениям) и пластов клеток (формирование эпителия).

3. Сортировка – образование скоплений клеток с определенными свойствами, зависит от степени подвижности клеток и особенностей строения цитоплазматических мембран (обеспечивают адгезию).

4. Гибель клеток – разрушение провизорных органов, образование полостей; в центральной нервной системе образуется больше нервных клеток, чем сохраняется.

5. Дифференцировка – процесс, в результате которого клетка становится специализированной, т.е. приобретает химические, морфологические, функциональные особенности; это процесс возникновения и нарастания структурных и функциональных различий между отдельными клетками и частями зародыша.

Для объяснения механизма дифференцировки существует несколько теорий. Все клетки, происходящие от исходной зиготы, идентичны по своему генотипу и поэтому должны иметь одинаковую структуру и функции. Очевидно, что в многоклеточном организме это не так. Почему? Либо клетки утрачивают некоторые гены, либо они могут включаться и выключаться. В настоящее время общепризнанной является теория, в основе которой предположение Моргана о том, что дифференцировка является результатом последовательных взаимных влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности ядерных генов.

1. Эмбриональная индукция – взаимодействие частей развивающегося зародыша, когда один участок влияет на формирование другого, т.е. является индуктором. Различают гетерономную и гомономную индукцию. Гетерономная – один кусочек зародыша индуцирует другой орган (например, хордомезодерма индуцирует появление нервной трубки). Гомономная – индуктор побуждает окружающий материал к развитию в том же направлении, что и он сам.

2. Генетический контроль развития. Каким образом гены осуществляют контроль? Сложный и центральный вопрос, к ответу на который ученые лишь начинают подходить. Главный прием изучения – использование мутаций.

Кроме генетического контроля на регуляцию онтогенеза влияют также межклеточные взаимодействия, у высших животных – гормоны и нервная система (внутренние факторы). Кроме того, на рост и развитие организма существенно влияют условия внешней среды: пища (в т.ч. наличие микроэлементов и витаминов), свет (фотосинтез, синтез витамина Д), температура, облучения (мутагенез) и др.

1. Тканевый и органный уровни организации живого. Особенности тканей и органов животных и растений

В процессе онтогенеза - развития сложного многоклеточного организма - из эмбриона образуются клетки с разным химическим составом, биохимическими и морфологическими свойствами, которые предопределяют выполнение разных функций. Однотипные клетки формируют определенные ткани.

Ткань – это филогенетически (исторически) сложившаяся система клеток и неклеточных структур, обладающая общностью строения, функции, развития. Наука, изучающая закономерности развития, строения и функционирования тканей в историческом и индивидуальном развитии многоклеточных организмов, называется гистологией.

Органом называют исторически сложившуюся специализированную систему тканей, характеризующуюся отграниченностью, постоянством формы, локализации, развитием в онтогенезе и специфическими функциями. Группу сходных по происхождению органов, объединяющихся для выполнения сложной функции, называют системой.

Каждый тип ткани обеспечивает организму одно из его четырех основных свойств во взаимоотношении с внешней средой: пограничность (отделение от внешней среды), внутренний обмен (поддержание гомеостаза), раздражимость или подвижность. В соответствии с этим у животных различают четыре типа тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную, нервную.

Функции эпителиальной ткани: защита организма от воздействий внешней среды (покрывает всю наружную поверхность тела, поверхность ЖКТ, дыхательных путей, все слизистые оболочки); обмен веществ между организмом и внешней средой.

Общие черты эпителиальных тканей:

• представляют собой пласт клеток, нарушение целостности приводит к нарушению функций и ослаблению организма;

• эпителиальные клетки лежат на базальной мембране, которая играет большую роль в питании эпителия, связывая его с соединительной тканью;

• эпителиальные клетки обладают полярностью (базальная и апикальная верхушечная части различаются по строению, в базальной – ядро, в апикальной – органеллы и включения запасных питательных веществ);

• обладают высокой способностью к регенерации.

Эпителий делится на покровный и железистый. Покровный эпителий может быть однослойным (эпителий желудка, кишечника, сердечной сумки, легких) и многослойным (кожа, ротовая полость, роговица глаза). Форма клеток плоская, цилиндрическая, кубическая, шиповатая. Особенность железистого эпителия – способность синтезировать особые вещества – секреты (различные гормоны, ферменты, слизь; слюнные, потовые, молочные железы).

Функции соединительной ткани (или ткани внутренней среды для метаболических реакций): трофическая (участие в обмене веществ); защитная (участвует в иммунных реакциях, заживлении ран). Соединительные ткани являются производными мезенхимы, отличаются аполярностью клеток, большим количеством межклеточного вещества.

Ткани с опорно-механической функцией: плотные волокнистые соединительные, в зависимости от характера расположения коллагеновых волокон делятся на неоформленные (сетчатый слой кожи), оформленные (сухожилия); хрящевые (гиалиновая, эластическая, волокнистая) и костные (грубоволокнистые - зародыш, дентиноидные - зубы, пластинчатые - кости). Особые виды ткани – кровь, лимфа.

Ткани с двигательной функцией: мышечные ткани. Различают:

• гладкую мышечную ткань (оболочки кровеносных сосудов, различных внутренних органов);

• поперечнополосатую (скелетная мускулатура, мышцы рта, языка, мимическая мускулатура и др),

• мышечную ткань сердечной мышцы,

• специализированные виды (миоэпителиальные клетки, окружающие железы; глазные мышцы и т.д.)

Функции нервных тканей: участие в получении, хранении и переработке информации из внешней и внутренней среды, регуляция и интеграция деятельности всех органов и систем. Различают: ткань коры головного мозга, спинного мозга, ствола мозга, вегетативных ганглиев, гипоталамуса и др. Состоит из двух компонентов – нервных клеток нейроцитов (нейронов, способны воспринимать раздражение, возбуждаться, вырабатывать и проводить нервный импульс) и нейроглии (межклеточное вспомогательное вещество, выполняет опорную, трофическую, секреторную и защитную функции). Составляют основу центральной (спинной и головной мозг) и периферической (соматической и вегетативной) нервной системы.

Основные системы и примеры органов животных:

• наружные покровы (кожа, чешуя, перья и т.п.);

• опорно-двигательный аппарат (скелет, мышцы);

• пищеварительная система (пищевод, желудок, кишечник);

• дыхательная система (легкие, бронхи, трахея);

• кровеносная система (кровь, сердце, сосуды);

• мочеполовая система (почки, мужские и женские половые органы);

• центральная нервная система (головной и спинной мозг, органы зрения, вкуса, слуха, обоняния);

• эндокринная система (железы внутренней секреции).

У растений выделяют следующие системы тканей:

• образовательные ткани или меристемы;

• основные (в т.ч. хлорофиллоносные, запасающие, дыхательные, водоносные);

• пограничные (защитная и барьерные функции);

• проводящие (ксилема, флоэма);

• механические (опорные, скелетные);

• выделительные (наружные и внутренние).

К основным органам высших растений относят: корень (отвечает за снабжение водой и минеральными солями, закрепление в почве), стебель (транспортная и механическая функции), лист (фотосинтез), цветок, семя, плод (размножение).

1. Биогеоценотический и биосферный уровни организации жизни

7.1. Общая характеристика биогеоценозов.

Биогеоценоз – система взаимодействующих живых существ (биоценозов) и окружающей их неживой природы (гидросферы, литосферы, атмосферы). Биоценоз (биотическая часть, главный компонент биогеоценоза) – целостная, саморегулирующаяся биологическая система, в состав которой входят живые организмы, обитающие на одной территории (растения, животные, бактерии, грибы, вирусы).

Биогеоценоз – открытая система, в которую поступают энергия Солнца, газы атмосферы, вода, минеральные вещества почвы, а выделяются теплота, кислород, углекислый газ, биогенные органические вещества.

Энергия, поступающая в Биогеоценоз, затрачивается на обеспечение постоянного круговорота веществ, поддержание целостности системы и на ее развитие (эволюцию). Энергия проходит через ряд трофических уровней, являющихся звеньями цепей питания. Цепи питания – ряд взаимосвязанных видов, из которых каждый предыдущий служит пищей последующему. Общая закономерность состоит в том, что в основе любой пищевой цепи – зеленые растения, в конце – плотоядные (хищники). Количество особей и биомасса последовательно уменьшается в каждом следующем звене цепи - это правило экологической пирамиды, пример которой показан ниже.

Почему? Т.к. объем энергии, необходимой для обеспечения жизнедеятельности организма, растет с повышением уровня морфофизиологической организации, то количество биомассы на более высоких уровнях уменьшается. Например, зообиомасса составляет около 3% от всей биомассы, причем около 95% в ней – беспозвоночные.

Обязательные компоненты биогеоценоза:

1. Абиотические неорганические и органические вещества среды.

2. Организмы – продуценты органических веществ (автотрофы, синтез из неорганических веществ, используется энергия Солнца или химических реакций)

3. Организмы – консументы (потребители готовых органических веществ), могут быть первого порядка – растительноядные, второго порядка – плотоядные, третьего и т.д.

4. Организмы – редуценты (разрушители), разлагающие органические вещества до неорганических.

Организмы, входящие в состав биогеоценозов, испытывают влияние неживой природы (абиотических факторов) и находятся под воздействием других живых организмов (биотические факторы).

7.2 Абиотические факторы внешней среды

При оценке влияния абиотического фактора используют характеристику интенсивности его действия на живую материю. Наиболее важные – ограничивающие (лимитирующие) факторы среды. Различают оптимум (наиболее благоприятная интенсивность) и пределы выносливости, за которыми следует гибель организма.

К основным ограничивающим абиотическим факторам среды относятся:

• температура (большинство видов приспособлено к узкому диапазону температур, существуют различные приспособления для предотвращения отрицательного воздействия неблагоприятных температур, например, теплокровность, снижение интенсивности обмена, зимняя спячка (стадия покоя), накопление питательных веществ, испарение влаги при перегревании и т.д.);

• свет (солнечная радиация), имеет значение интенсивность, продолжительность (фотопериод) и длина волны (особое значение для продуктивности растений; но оказывает влияние и на животных – синтез витамина Д, пусковой механизм физиологических процессов, обеспечивающих миграцию и размножение у птиц и млекопитающих);

• влажность (вода – необходимый компонент клетки, огромное влияние на жизнедеятельность растений и животных, различные приспособления к засухе от колючек у кактусов до спячки некоторых грызунов; для некоторых организмов – среда обитания);

• ионизирующее излучение (радиоактивные вещества горных пород, космическое, результаты человеческой деятельности – атомные стации, взрывы, накопление радиоактивных веществ в организмах, электромагнитные волны; к фоновому природному излучению живые существа адаптированы; чем сложнее устроен организм, тем более губительное влияние оказывает на него радиация, вызывает вредные мутации, причем наиболее чувствительна кроветворная ткань – костный мозг);

• загрязняющие вещества (антропогенный фактор, оказывают отрицательное воздействие на развитие организмов, обедняют структуру и функции биогеоценозов, вплоть до полного уничтожения).

7.3. Биотические факторы среды

Каждый живой организм живет в окружении множества других, вступая с ними в самые разнообразные отношения, как с положительными (пища, помощь), так и с отрицательными (гибель) для себя последствиями. Все эти многообразные связи обеспечивают возможность существования единой системы живых существ – биоценоза как стабильного саморегулирующегося сообщества.

Основные типы взаимоотношений между живыми организмами:

• позитивные - симбиоз,

• негативные – антибиоз (антагонизм),

• безразличные, индифферентные - нейтрализм.

Различают разные формы взаимоотношений, например, симбиотических:

• мутуализм – идеальный симбиоз, взаимополезное сожительство; вместе лучше, чем отдельно, вплоть до невозможности отдельного существования; лишайники как сожительство грибов и водорослей, термиты и жгутиковые простейшие, разлагающие целлюлозу; клубеньковые бактерии и бобовые растения и др);

• кооперация – взаимопомощь, временный симбиоз, могут жить и отдельно, животные – чистильщики (избавляют от паразитов, самим легче добыть пищу);

• комменсализм – один вид получает пользу от сожительства, а другой это безразлично (рыбы – прилипалы, гиены – львы).

Формы антагонистических взаимоотношений:

• хищничество – поедание одних животных другими видами (редко – растениями или грибами), частный случай – каннибализм как поедание особей своего вида;

• паразитизм – один вид получает питательные вещества от другого, часто нанося ему вред (паразиты растений, животных, даже бактерий – фаги);

• конкуренция – возникает у видов со сходными питательными потребностями, способы подавления других разные (прямое физическое воздействие, перехват солнечных лучей более мощной кроной, выработка антибиотиков и др.).

7.4. Устойчивость и эволюция биогеоценозов.

Структура биогеоценозов складывается в процессе эволюции, каждый вид приспосабливается и занимает свое место (нишу) или погибает и исключается из данного биогеоценоза. Состояние взаимоприспособленности видов (коадаптация) – обязательное условие существования биогеоценозов (БГЦ).

Показатели структуры и функционирования БГЦ:

• видовой состав;

• плотность популяций;

• число трофических уровней;

• общая биомасса;

• первичная продуктивность (энергия, накопленная в растительной биомассе);

• интенсивность потока энергии и круговоротов веществ.

Стабильность БГЦ зависит от многих факторов, как абиотических (изменение климата), так и абиотических. Появление нового вида по цепи может разрушить стабильность целого биогеоценоза.

Наиболее устойчивыми являются БГЦ, характеризующиеся:

• большим видовым разнообразием (если один вид исчезает, другие близкие могут заменить его в цепях питания);

• наличием неспециализированных видов (с разными источниками питания, способных существовать в меняющихся условиях среды); способность вида осваивать разные среды обитания выражается величиной экологической валентности;

• слабой степенью отграниченности от соседних экосистем (возможен обмен видами);

• большой биомассой (обеспечивает буферность при длительном действии неблагоприятных факторов).

Любая территория, пригодная для жизни по набору абиотических факторов, заселяется. При этом происходит смена биогеоценозов, т.е. идет процесс сукцессии. Первостепенная роль в освоении новых территорий принадлежит растениям и микроорганизмам, затем в сукцессию вовлекаются животные. Цепи питания постепенно усложняются, взаимоотношения совершенствуются. Для установления равновесия и стабильности БГ требуются сотни и тысячи лет. Состояние устойчивого равновесия называется климаксом. В этом состоянии БГЦ способен противостоять кратковременным внешним воздействиям. Глобальное изменение (смена климата) приводит к эволюции БГЦ. В настоящее время мощным фактором изменения БГЦ (до полного разрушения) является антропогенный.

7.5. Структура биосферы.

Термин биосфера был впервые введен австрийским геологом Зюссом в 1875 году для обозначения особой, живой оболочки Земли. Основы современных представлений о биосфере разработал академик В.И.Вернадский. Он впервые показал роль живых организмов в геохимических и энергетических превращениях минеральных оболочек природы, т.е. неживой природы.

Биосфера – оболочка Земли, которая населена и активно преобразуется живыми существами. Структурно состоит из биогеоценозов и включает следующие основные элементы:

1. Живое вещество, образованное совокупностью организмов.

2. Биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки)

3. Косное вещество, к. образуется без участия организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты)

4. Биокосное вещество – результат жизнедеятельности и абиогенных процессов (почвы).

Биосфера – многоуровневая система. Граница биосферы определяется областью распространения в атмосфере, гидросфере и литосфере. Верхняя граница – около 20 км на высоте, лимитирующий фактор – радиация, защита – озоновый слой. Нижняя граница в гидросфере на всей глубине мирового океана (10-11 км), в литосфере зависит от уровня проникновения воды (около 7,5 км).

Общая характеристика живого вещества: растения около 300 тыс видов, 99% биомассы, животные около 1,5 млн видов, 1% биомассы, из них 93% сухопутные, 7% водные; (95% - беспозвоночные, правило экологической пирамиды). Живое вещество – наиболее активный компонент биосферы, производит гигантскую геохимическую работу, способствуя преобразованию всех других оболочек земли в геологическом масштабе времени. Так, например, в результате фотосинтеза за год образуется 115 ·10⁹ млрд. т сухого органического вещества, 123 ·10⁹ т кислорода.

7.6 Круговорот веществ как главная функция биосферы

Благодаря круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов.

Важнейшие круговороты: воды, кислорода, углерода, азота, серы, фосфора.

Круговорот воды. Полный цикл биотического круговорота 2,5 млн лет. Испарение с поверхности водоемов, перенос воздушными течениями на многие километры, выпадение в виде осадков на поверхность суши и океанов, разрушение горных пород, растворение минеральных веществ, которые становятся доступными для растений и микроорганизмов; вода обеспечивает все биохимические процессы, по цепи питания для всех организмов, стекает в водоемы, испаряется и т.д.

Круговорот углерода. Полный цикл 300 лет. Вся органика содержит С. Начинается с фиксации атмосферного СО₂ растениями в процессе фотосинтеза, образуются углеводы и др. органика, использующаяся растениями и животными, которые в процессе дыхания выделяют СО₂, при разложении мертвых организмов происходит окисление органики тоже с выделением СО₂, т.е. происходит возвращение углерода в атмосферу.

Круговорот азота: в фиксации атмосферного азота большую роль играют азотфиксирующие микроорганизмы и водоросли. Нитраты поступают в растения и используются для синтеза белка, который затем попадает к консументам. После отмирания живых организмов белок разлагается гнилостными микроорганизмами до аммиака, затем до нитратов, часть которых в результате деятельности денитрифицирующих бактерий разлагается до газообразного азота.

7.7 Основы учения о ноосфере

Ноосфера (noos - древнегреч. разум) – сфера человеческого разума, мыслящий пласт, оболочка, существующая в биосфере самостоятельно. Учение о ноосфере было разработано академиком В.И.Вернадским. Он считал, что с появлением человека начался качественно новый этап в развитии биосферы, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы.

Положительные последствия воздействия человека: выведение новых пород домашних животных, сортов с/х растений, создание культурных биогеоценозов, разработка новых штаммов микроорганизмов для целей биотехнологии, сохранение исчезающих видов в заповедниках, в будущем – восстановление исчезнувших путем клонирования.

Отрицательные: потребление (часто нерациональное) природных ресурсов, которые делятся на восполняемые (леса, водные, животные, растения) и невосполняемые (полезные ископаемые – нефть, уголь, руды); загрязнение окружающей среды промышленными и бытовыми отходами, радиоактивными веществами, истребление видов растений и животных (сейчас около 600 видов позвоночных на грани полного истребления, например, киты, кенгуру, бегемоты); разрушение биогеоценозов.

1. Эволюция биосферы

8.1. Основные концепции эволюции. История развития эволюционного учения.

В истории развития эволюционного учения можно выделить несколько основных концепций, по-разному объясняющих происхождение и целесообразное устройство живого мира.

1. Креационизм – жизнь возникла в результате акта творения, все существующее в этом мире постоянно и неизменно.

2. Трансформизм – допускает некоторую изменчивость отдельных особей, но целесообразность – изначальное свойство организмов, данное богом.

3. Эволюционная теория Ламарка – признание исторического развития живого, но целесообразность – свойство, данное творцом.

4. Дарвинизм – эволюционная теория, изучающая общие закономерности развития органического мира; целесообразность в строении живых существ – результат борьбы за существование и естественного отбора.

5. Современная эволюционная теория как синтез дарвинизма и генетики.

Мыслители древности задумывались о происхождении и развитии жизни на Земле. Например, Фалес из Милета (5 век до нашей эры) считал, что общий источник всего живого – вода; Гераклит считал основой мира движение: «Все течет и ничто не остается постоянным»; Эмпедокл писал, что в основе всего существующего 4 физических принципа: огонь, воздух, вода и земля, ими управляют две силы – объединяющая (любовь) и разъединяющая (ненависть).

Доктрина абиогенеза (спонтанного самозарождения жизни) возникла в Древней Греции и господствовала вплоть до 18 века. Сущность: неживая материя, соединяясь с атомами огня (Демокрит) или с божественным активным началом (душой, Платон), образует живые существа. Аристотель высказывал идею о «лестнице существ», но без идеи о развитии от низшего к высшему.

Средние века были шагом назад в истории развития эволюционного учения, господствовали догматические метафизические представления о неизменности живого и целесообразности как результате мудрости творца.

В конце 17 – начале 18 веков исследования ученых приводят к ломке догматов и застывших представлений об абиогенезе. Термин «эволюция» введен в 1762 году Шарлем Боннэ.

Окончательно доказал невозможность самозарождения жизни в современных условиях Пастер в 1861. Отрицание старой теории абиогенеза привело к формированию представлений о вечности жизни во Вселенной, возникла гипотеза панспермии (Аррениус).

В 18 веке возникает, а в 19 активно развивается идея об изменяемости видов (Бэкон, Бюффон), закладываются основы классификации живого мира (Линней). Ломоносов, Кант, Дидро разработали вопрос о влиянии фактора времени, т.е. Земля существовала гораздо более длительный период времени, чем это предполагалось ранее. Однако единой системы взглядов не было.

Впервые ее попытался создать Жан-Батист Ламарк (1744-1829). Считается первым эволюционистом. Расположил живые организмы в ряд от простейших до сложных и высказал идею о том, что низшие постепенно усложнялись, превращаясь в высшие.

Основные положения теории Ламарка:

1. Творец Вселенной создал лишь материю и законы, постоянно действующие в природе, а потом не вмешивался в дела Природы.

2. Ступени, на которых располагаются живые существа – результат прогрессивной эволюции, усложнения форм жизни.

3. Эволюция – длительный исторический процесс, изменения протекают очень медленно, незаметно для человека.

4. Существует два фактора эволюции: влияние внешней среды и тенденция к совершенствованию (целесообразности), которая дана богом.

Предпосылками возникновения дарвинизма в18-19 веках стало развитие промышленности и торговли, приведшее к расширению знаний о возможностях селекции животных, о живых существах разных континентов; в различных областях биологии накопилось большое количество фактов, свидетельствующих о единстве всего живого и изменчивости видов.

Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882) сделал гениальное обобщение этих фактов. В 1859 году вышла его труд «Происхождение видов путем естественного отбора», который стал переворотом в естествознании. Эволюционное учение Ч. Дарвина включает 3 основных раздела:

• рассмотрение совокупности доводов, подтверждающих историческое развитие организмов;

• положения о движущих силах эволюции (наследственность, изменчивость, естественный отбор, борьба за существование);

• представления о путях эволюционных преобразований (основной – дивергенция).

Классический дарвинизм – учение о макроэволюции - об эволюции крупных групп организмов в течение геологических периодов на обширных территориях, т.е. о процессе формирования таксонов надвидового ранга (не может быть исследован экспериментально).

Микроэволюция – эволюция вида, изучает изменения, приводящие к его дифференцировке вплоть до образования новых видов.

8.2. Доказательства эволюции

1. В области генетики, цитологии, биохимии – доказательства единства происхождения живого мира:

• сходный химический состав и соотношение биогенных элементов, причем все эти элементы есть и в неживой природе;

• одинаковые принципы строения и функционирования белков и нуклеиновых кислот, в т.ч. генетическое кодирование, механизмы биосинтеза, энергетические циклы;

• клеточное строение всех живых существ, одинаковые механизмы деления клеток.

1. В палеонтологии

На основе изучение ископаемых остатков (в т.ч. методами радиоактивных изотопов) создана шкала геологического времени – история Земли разделена на эры, периоды, эпохи, которые существенно отличались соотношением между сушей и морями, климатом. Это приводило к смене флор и фаун, изменениям в структуре биогеоценозов.

Катархей (ранее 3,5 млрд лет назад)– не было жизни.

Архей (3,5 млрд. лет назад) – возникновение жизни (первичные прокариоты, цианобактерии, начало формирования кислородной оболочки), существование единого материка – Пангеи, который затем разделился.

Протерозой (2,6 млрд. лет назад) – возникновение всех типов беспозвоночных, жизнь в воде (медузы, водоросли, плеченогие, членистоногие, простейшие, беспозвоночные). Насыщение воздуха кислородом, образование озонового слоя – защиты от излучения – возможность выхода на сушу.

Палеозой (570 млн. лет назад) – 6 периодов (кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь), появление первых позвоночных, расцвет амфибий, выход животных на сушу в результате поднятия платформ и увеличения площади суши.

Мезозой (230 млн. лет назад) – 3 эры (триас, юра, мел), расцвет рептилий. Продолжается поднятие суши, тепло. Возникают и вымирают различные пресмыкающиеся. Растения становятся покрытосеменными, цветковыми, появляются древнейшие птицы.

Кайнозой (66 млн. лет назад) – 3 эры (палеоген, неоген, антропоген), расцвет млекопитающих. Возникновение морских и наземных организмов всех современных групп, птицы, млекопитающие. Человек как вид появился в кайнозойскую эру, конец третичного – начало четвертичного периода, мы живем в современную эпоху (около 11 тысяч лет с окончания последнего оледенения).

1. В биогеографии

В настоящее время на Земле выделяют 6 биогеографических зон, в которых обитают специфические (эндемичные) виды организмов.

В основе такого деления – научно доказанное предположение о том, что каждый вид возникал однажды в определенном месте (центр происхождения, теория Н.И.Вавилова), откуда расселялся, пока не встречал преграду (географическую, климатическую, пищевую).

Палеоарктическая область (Европа, Африка к северу от Сахары, часть Азии к северу от Гималаев). Основные биомы: тундра, хвойные леса, степи, лиственные леса, жестколистные леса, пустыни. Эндемичные виды: кроты, олени, овцы, козы, скворцы, сороки.

Неоарктическая область (Гренландия, Северная Америка). Основные биомы те же. Эндемичные виды: луговые собачки, опоссумы, скунсы, еноты, полярный заяц, медведь, лоси, олени. Четкая взаимосвязь с палеарктической областью указывает на то, что в прошлом существовал сухопутный мост.

Неотропическая область (Южная и Центральная Америка, юг Мексики). Основные биомы: тропический лес, степи (пампа), пустыни. Эндемичные виды: ламы, цепнохвостые обезьяны, тапиры, ленивцы, муравьеды, многие виды птиц.

Индо-Малайская область (Восточная, Индия, Цейлон, Индокитай, юг Китая). Основной биом: тропический лес. Широко представлены приматы, в т.ч. орангутанги, тигры, черная пантера, индийский слон, лианы, бамбук, черное дерево.

Эфиопская область (Африка к югу от Сахары, Мадагаскар). Основные биомы: тропический лес, саванна, пустыня; гориллы, шимпанзе, зебры, носороги, бегемоты, жирафы, львы, гиеновые собаки.

Австралийская область (Австралия, Новая Зеландия, Новая Гвинея) Основные биомы такие же. Утконос, кенгуру, коала, страус эму, какаду. Считается, что сохранение сумчатых в Австралии – результат ее обособления от Азии до возникновения высших млекопитающих.

4. В систематике (науке о классификации)

Все живые существа можно объединить в иерархическую систему таксономических единиц (виды, роды, семейства, отряды (порядки), классы, типы (отделы), царства), связанных эволюционными отношениями.

Основы современной систематики были заложены Карлом Линнеем в середине 18 века. Различают два типа классификаций:

• искусственная (условная, утилитарная) на основе одного или нескольких легко обнаруживаемых признаков (например, по окраске, способу передвижения, ядовитости, месту обитания и т.д.);

• естественная – отражающая эволюцию, родственные связи, в виде генеалогического древа (плакат).

В настоящее время в науке используют фенотипическую – на основе современных данных о морфологическим, цитологическом и биохимическом сходстве между организмами) или филогенетическую (с использованием данных генетического анализа).

1. В сравнительной анатомии и физиологии

У многих форм наблюдается единство плана строения (например, скелеты позвоночных животных – лягушки и обезьяны), что указывает на родство особей.

Гомологичные органы – имеющих сходное строение, одинаковое положение в теле и развивающиеся из одинаковых эмбриональных зачатков у разных животных. Пример: ласт тюленя – крыло летучей мыши – передняя конечность лошади – рука человека (количество и форма костей, мышц, сосудов, нервов одинаково или близко).

Рудиментарные органы - утерявшие в филогенезе свое значение и функцию, оставшиеся в виде недоразвитых образований 9 у человека около 100.

Атавизмы – появление признаков, присущих далеким предкам и в норме не встречающееся у современных форм (обильная волосатость, хвост у человека)

Аналогичные – выполняющие одинаковые функцию, но не имеющие единства строения и происхождения (крылья насекомых и птиц).

Конвергентные – аналогичные органы и формы тела у организмов разных классов, живущих в одинаковых условиях (акула, ихтиозавр, дельфин)

Изучение строения и функционирования органов дыхания, пищеварения, кровообращения, выделения и др. свидетельствуют об эволюции. Особую ценность представляют формы, сочетающие в себе признаки нескольких крупных систематических единиц. Примеры: эвглена зеленая, ланцетник, яйцекладущие.

1. В эмбриологии.

В конце 18 века обнаружено необычайное сходство между зародышами совершенно разных по виду и систематике животных. Это сходство указывает на родство.

Карл Бэр сформулировал закон зародышевого сходства: черты, общие для большой группы родственных животных (класс, род) проявляются в развитии зародыша раньше частных признаков вида.

Классический пример: на ранней стадии развития зародыши рыбы, саламандры, черепахи, крысы и человека необычайно сходны. В дальнейшем – все больше различий, формируются особые признаки вида. Гипотеза: сначала действуют наиболее древние гены далеких предков, позднее контроль генов, характерных для современных видов.

В 1866 Геккель сделал более широкое обобщение и сформулировал ОСНОВНОЙ БИОГЕНЕТИЧЕСКИЙ ЗАКОН: онтогенез есть краткое повторение филогенеза, т.е. зародыш в процессе развития повторяет эволюционный путь своих предков.

1. Элементарные эволюционные факторы

1. Изменчивость

Мутационная изменчивость – основная форма; в виде генных, хромосомных и геномных мутаций. Хотя мутации происходят редко (вероятность генной мутации10^-6 ), но в целом накапливается значительное количество. Большинство накапливающихся мутаций – рецессивные (доминантные тут же проявляются и подвергаются жесткому отбору), при этом популяция остается генетически однородной – скрытый резерв наследственной изменчивости. Доля полезных мутаций мала (1 на 10⁹ вредных), но за период существования вида накапливаются значительные количество, что может привести к образованию нового вида, более приспособленного к новым условиям существования.

Комбинативная изменчивость – следствие механизмов мейоза (кроссинговер, случайное расхождение гомологичных хромосом, случайное сочетание гамет), большое разнообразие генотипов и фенотипов – исходный материал для естественного отбора.

1. Естественный отбор – избирательное (дифференциальное) воспроизведение определенных генотипов (выживание наиболее приспособленных), функционирует при наличии 2 факторов: интенсивного размножения особей и борьбы за существование.

Интенсивность размножения – рождается намного больше особей, чем может выжить Гибель потомства – результат борьбы за существование.

Различают 3 вида борьбы за существование:

• межвидовая (между хищниками-плотоядными и травоядными, травоядными и растениями, птицами и насекомыми, между культурными растениями и сорняками, между микроорганизмами разных видов и т.д.);

• внутривидовая (между особями одного вида – рыжие тараканы вытесняют черных, серая крыса – черную, конкуренция за места гнездования, самцов – за самку, каннибализм у рыб);

• с неблагоприятными условиями внешней среды (с засухой, заморозками, переувлажнением - растения, недостаток кислорода в воде – рыбы, резкие колебания температуры – возникновение теплокровности и шерстного покрова).

Кто выживает в этой борьбе? Те виды, которые наиболее приспособлены к конкретным определенным условиям окружающей среды. Следовательно, эволюционный процесс носит приспособительный характер, а целесообразность обусловлена взаимосвязью и соответствием всех органов в организме условиям существования в определенных условиях.

Примеры приспособлений: внешний вид – покровительственная окраска, маскировка, предупреждающая окраска, мимикрия.

В зависимости от направленности и результата различают следующие формы естественного отбора:

Направленный (движущий) – вызывает прогрессивное или направленное в одну строну изменение генетического состава популяции, проявляется в сдвиге средних значений отбираемых признаков в сторону их усиления (ослабления), характерен для популяций в процессе приспособления к новой среде (при медленно изменяющихся условиях внешней среды). Этот принцип используют при искусственном отборе. Пример: индустриальный меланизм бабочек.

Стабилизирующий отбор – сохраняет в популяции средний вариант фенотипа (признака), устраняет из репродуктивного процесса фенотипы, отклоняющиеся от нормы. Наиболее распространенная форма, характерна для постоянных условий окружающей среды.

Дизруптивный (разрывающий) отбор – сохраняет крайние формы, направлен против «средних» особей.

Дарвин: «Естественный отбор ежедневно, ежечасно расследует по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая дурные, сохраняя и слагая хорошие, работая неслышно, невидимо, где бы и когда бы только ни представился к тому случай, над усовершенствованием каждого органического существа.

1. Изоляция – возникновение любых барьеров, препятствующих скрещиванию организмов, связана с другими факторами. Различают:

• Географическую (пространственную) – разрыв единого ареала водными или наземными преградами, обособление отдельных популяций, в каждой свои мутации, изменчивость, отбор, изменение генотипа, изменение фенотипа;

• Биологическую (репродуктивную) из-за несовпадения сезонов размножения, особенностей ритуала ухаживания, различия в строении органов размножения, несовместимость гамет.

1. Популяционные волны – периодические колебания численности организмов в природных популяциях. Причины различны: соотношение численности хищников и травоядных, деятельность человека (размножение кроликов в Австралии, колорадского жука и т.д.). Рост численности сопровождается расширением территории, возможно слияние с другими популяциями, выселение за пределы ареала, где могут быть другие условия существования. При спаде численности распад крупных популяций, изоляция отдельных групп, в которых возможно сохранение редких мутационных аллелей, приводящих к возникновению новых видов.

2. Дрейф генов (генетико-автоматические процессы). Когда особей в популяции мало, возможны случайные отклонения от общих закономерностей наследственности и изменчивости, которые могут привести к утрате или закреплению признака вне его связи с приспособительной ценностью.

8.4 Основные направления эволюционного процесса (макроэволюция).

Вопрос разработан академиком А.Н. Северцовым. Различают два направления – биологический прогресс и биологический регресс.

Биологический прогресс – возрастание приспособленности организмов к окружающей среде, ведущее к увеличению численности и более широкому распространению видов (т.е. к процветанию вида).

Пути достижения биологического прогресса:

• Aрогенез (от греч. поднимаю, развитие) или морфофизиологический прогресс – усложнение организации, приобретение крупных изменений строения – ароморфозов (поднимаю, форма), приводящих к усложнению организации, повышению уровня живой системы.

• Аллогенез (от греч. иной, развитие) – приобретение идиоадаптаций (особенность, приспособление) – приспособление к специальным условиям среды, полезное в борьбе за существование, не изменяет уровня организации (разные виды вьюрков на Галапагосских островах - разные типы питания – разные клювы; в отряде парнокопытных млекопитающих – кабан, зубр, бегемот, олень, лось);

• Катагенез (греч. вниз, развитие) – упрощение организации (исчезновение органов – дегенерация), например, переход видов к паразитическому существованию с утратой части органов, но при этом увеличивается численность особей и расширяется ареал.

Биологический регресс – снижение уровня приспособленности к условиям обитания, ведущее к уменьшению численности вида, сокращению ареала обитания.

8.5 Критерии вида. Популяция. Способы видообразования (микроэволюция)

Вид – группа морфологически сходных организмов, имеющих общее происхождение и потенциально способных к скрещиванию между собой в естественных условиях.

Критерии вида:

1. Морфологический – наиболее простой и удобный, использовался во всех систематиках, начиная с Линнея. Ограниченность – виды двойники (морфологически идентичные, но репродуктивно изолированные)

2. Физиолого-биохимический (виды различны, потому что различны их химические структуры, особый интерес – синтез белка, определяет особенности метаболизма)

3. Генетический критерий (виды различаются кариотипами)

4. Эколого-географический - по закономерностям географического распространения биологических форм и особенностей их взаимоотношения с факторами внешней среды (экологические ниши).

Особи одного вида не всегда живут в непосредственном соседстве. Обычно образуют более или менее изолированные группы, называемые популяциями. Популяция – сообщество скрещивающихся между собой организмов одного вида. Популяции отделены друг от друга одной из форм изоляции. Экологическая характеристика популяции включает характеристику ареала (занимаемой территории), численность особей, возрастной и половой состав.

Условия генетического равновесия описываются основным законом популяционной генетики, сформулированным в 1908 г английским математиком Харди и немецким врачом-генетиком Вайнбергом. Закон Харди-Вайнберга: в популяции из бесконечно большого числа свободно скрещивающихся особей в отсутствие мутаций, избирательной миграции организмов с различными генотипами и давления естественного отбора первоначальные частоты аллелей сохраняются из поколения в поколение. Если ген представлен аллелями А₁ и А₂, встречающихся соответственно с частотой p и q, то три возможных генотипа Α₁А₁, Α₂А₂, А₁ А₂ распределяются с частотой p², 2 pq, q².

Способы видообразования:

1. Дивергентное (истинное) – разделение одного вида на два (или более) других видов. Различают аллопатрическое (географическое, из одной популяции, на периферии ареала исходного вида, в результате пространственной изоляции + мутации + отбор) и симпатрическое (возникновение нового вида внутри ареала исходного, с самого начала генетическая изоляция при нарушении механизмов мейоза)

2. Филетическое – возникновение нового вида посредством постепенного изменения исходного вида (при медленном изменении условий во всем ареале)

3. Гибридогенное – возникновение нового вида путем гибридизации одного вида с другим.

9 Микробиология как биологическая наука. Основы систематики микроорганизмов

9.1 Объекты и методы микробиологии

Наиболее важным для биотехнологов разделом биологии является микробиология – наука о микроорганизмах (микробах) – мельчайших, невидимых невооруженным глазом живых существах; изучает их систематику, строение, физиологию, генетику, методы выявления и распознавания.

В зависимости от объекта исследований выделяют области микробиологии:

• бактериология (изучает бактерии - прокариоты),

• микология (дрожжевые и плесневые грибы),

• вирусология (вирусы).

Специальные разделы микробиологии:

• медицинская микробиология изучает патогенные и условно патогенные для человека микроорганизмы, закономерности их взаимодействия с организмом, методы диагностики, профилактики и лечения инфекционных заболеваний;

• сельскохозяйственная микробиология изучает значение микроорганизмов в образовании почвы, питании растений, разрабатывает методы получения и применения бактериальных удобрений, способы консервирования кормов, борьбы с фитопатогенными микроорганизмами;

• ветеринарная микробиология изучает возбудителей инфекционных заболеваний животных;

• космическая изучает особенности микрофлоры человека и окружающей среды в космических кораблях, условия выживания и распространения микроорганизмов в космосе;

• техническая (промышленная) исследует микроорганизмы, играющие важную роль в производстве (например, пищевых продуктов, антибиотиков, органических кислот, ферментов, аминокислот и др.).

!Микробиология является научной основой всех биотехнологических процессов, играет важную роль в обеспечении качества и безопасности продукции.

Микроорганизмы – первые, самые древние живые существа на нашей планете. Им принадлежит заслуга первичного насыщения атмосферы кислородом, накопления биомассы и формирования почвы, а также энергетического потенциала в виде нефти, угля, газа, руд. Некоторые микробы в процессе эволюции стали нашими друзьями (бифидобактерии как защитная микрофлора, использование в пищевой промышленности и биотехнологии), другие - врагами, с которыми нам приходится бороться (болезнетворные, возбудители порчи продуктов).

Микроорганизмам принадлежит огромная роль в круговороте веществ в природе. Пастер писал: «Микробы – бесконечно малые существа, играющие в природе бесконечно большую роль».

Основными методами микробиологических исследований являются:

• микроскопия (световая, люминесцентная, электронная, лазерная);

• выделение чистых культур и контролируемое культивирование;

• аналитические методы (физиолого-биохимические, генетические, молекулярно-биологические и т.д.).

9.2 История развития микробиологии

Микробиологические процессы люди использовали с древних времен (вино, кумыс, простокваша, хлеб), когда еще не знали природы этих процессов и считали их божественным даром. Начало микробиологии как науки относится к середине 17 века, когда любознательный голландский торговец Антони ван Левенгук (1632-1723), пользуясь различными линзами, которые делал сам, увидел «каких-то маленьких зверьков – анималькулей» в слюне, воде, других объектах. Он настолько увлекся этими исследованиями, что стал с 1674 года регулярно посылать письма-отчеты о них Королевскому обществу в Лондоне, а позже, в 1695 описал свои наблюдения в книге «Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком».

Долгое время исследователи занимались только описанием форм и размеров микробов. Начало физиологического периода положено работами французского ученого-химика Луи Пастера (1822-1895). Он нашел способ лечения вина от порчи путем его прогревания при 60° С в течение нескольких минут – так появился процесс пастеризации, доказал невозможность самозарождения жизни в современных условиях, создал вакцины против сибирской язвы, холеры кур, бешенства.

Другое известное имя в микробиологии – Роберт Кох (1843-1910). Им впервые введены плотные питательные среды, разработаны методы выделения чистых культур, обнаружен и изучен возбудитель туберкулеза, разработаны методы окрашивания микроорганизмов. За эти работы в 1905 он получил Нобелевскую премию.

Большой вклад в развитие микробиологии внес наш соотечественник Илья Ильич Мечников (1845-1916). Им создана фагоцитарная теория иммунитета, установлен антагонизм между молочнокислыми и гнилостными микроорганизмами, на основании этих исследований создана теория долголетия. В 1908 получил Нобелевскую премию за работы по иммунитету.

Еще один знаменитый ученый – Дмитрий Иванович Ивановский, физиолог растений, открыл возбудителя мозаичной болезни табака небактериальной природы, считается основоположником вирусологии.

Виноградский Сергей Николаевич – основоположник почвенной микробиологии. Изучал серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии, открыл явление хемосинтеза, предложил избирательные среды. Вместе с Бейеринком считается основоположником экологического направления в микробиологии, в которое огромный вклад внес Омелянский В.Л.

Королев Сергей Александрович создал теоретические основы технической микробиологии.

В современной микробиологии особое внимание уделяется фундаментальным исследованиям (выяснению путей метаболизма, регуляции обмена веществ) и систематике микроорганизмов (построению филогенетического древа). Быстро развиваются экологическая, популяционная, медицинская, сельскохозяйственная и техническая микробиология.

9.3 Основы систематики микроорганизмов

Систематика – наука о разнообразии живых организмов, взаимоотношениях и родственных связях между группами (таксонами). Цель – создание системы органического мира. Включает три раздела:

• классификация (определяет порядок расположения таксонов в общей системе),

• номенклатура (диктует правила наименования таксонов),

• идентификация (подразумевает этапы и методы определения таксономической принадлежности микроорганизм)

Для классификации микроорганизмов используются общие принципы систематики в биологии. Среди микроорганизмов встречаются представители трех царств: вирусы (относятся к империи неклеточные), прокариоты (или дробянки, к этому царству относятся бактерии и цианобактерии), грибы (дрожжи и плесени).

Микроорганизмы, как и все живые существа, обладают определенными признаками, по которым их отличают и разделяют на устойчивые, отчетливо различающиеся группы. Раньше использовались в основном морфологические признаки, затем добавились биохимические свойства, в настоящее время все чаще используют генетические признаки и в будущем создание классификации будет основано на генетических картах.

Основная таксономическая единица – вид – совокупность особей микроорганизмов, сходных по морфологическим, культуральным, физиолого-биохимическим свойствам и генотипу. Рассмотрим критерии вида.

Морфологические свойства - форма, взаимное расположение, размер и строение клеток, некоторые внешние особенности строения, например, наличие или отсутствие спор, капсул, жгутиков; окраска по Граму.

Размеры микроорганизмов обычно измеряют в мкм (10^-6м, например, диаметр кокков 1-2 мкм, длина крупных палочек и размер дрожжей – 6-10 мкм) или нм (10^-9 м, размеры вирусов от 6 до 300 нм). Для точного измерения используют специальные приспособления – объект- и окуляр-микрометры.

Культуральные свойства – особенности роста на разных питательных средах (на плотных – в виде колоний разного цвета, формы и размера, каждая колония вырастает из одной клетки, миллионы организмов с одинаковыми генами, т.е. по сути дела клоны).

Физиолого-биохимические - способы получения энергии, потребности в питательных веществах, отношение к температуре и другим факторам внешней среды.

Генетические – особенности строения ДНК (например, процентное содержание гуанина и цитозина используется при идентификации молочнокислых микроорганизмов).

Виды объединены в таксоны более высокого уровня – роды и т.д. В микробиологии используют следующие основные уровни систематики (группы, таксоны):

царство → отдел → класс→ порядок→ семейство→ род→ вид→ штамм

Штаммы (более узкое понятие, чем вид) – различные культуры одного и того же вида, выделенные из разных сред, могут отличаться незначительными признаками (интенсивностью кислотообразования, устойчивостью к антибиотикам, бактериофагам и т.д.).

Культура – микроорганизмы, выделенные из объекта внешней среды и выращенные на питательных средах. Чистая культура – состоящая из особей одного вида, смешанная – из нескольких.

Кроме основных используют промежуточные таксоны: подцарство, подотдел, подкласс, подвид. В последние годы используются также таксоны домен (надцарство) и филум.

9.4 Номенклатура микроорганизмов

Названия таксонов пишутся в соответствии с Международным Кодексом номенклатуры:

• латинскими буквами;

• всех рангов выше вида состоят из одного слова, причем таксоны, как правило, имеют стандартные окончания: порядок - ales, напр. Bacteriales; семейство – aceae, например, Enterobacteriaceae; род - um, us, например Bacillus, Bacterium;

• для обозначения вида применяют бинарную номенклатуру, т.е. название вида состоит из двух слов: первое обозначает род (с большой буквы), второе – видовой эпитет (с маленькой). Например, Streptococcus thermophilus (стрептококк теплолюбивый), Bacillus subtilis (сенная палочка), Mycobacterium tuberculosis (туберкулезная палочка). Часто родовое название сокращают после первого упоминания, например Str. thermophilus, B.subtilis и т.д.

Если у микроорганизмов обнаружены отклонения от типичных видовых свойств, то такие культуры рассматриваются как подвиды. В этом случае к названию вида добавляют название подвида через слово subspecies, например Lactococcus lactis subsp. cremoris (лактококк молочный подвид сливочный).

В микробиологии различают также инфраподвидовые подразделения микроорганизмы – варианты, отличающиеся свойствами:

• антигенными - серовар;

• морфологическими - морфовар;

• химическими - хемовар;

• физиологическими - биовар;

• патогенностью - патовар;

• отношением к бактериофагам - фаговар.

Таким образом, подвидовое деление будет включать следующие таксоны:

вид → подвид → вариант → штамм

Для биоварианта к названию вида (или подвида) добавляют слово biovar, например, Lac. lactis subsp. lactis biovar diacetilactis (молочный лактококк, биовариант, образующий диацетил, т.е. ароматообразующий).

В названии штамма добавляют условные обозначения в виде букв и цифр (иногда это название коллекции и номер штамма в ней или условное обозначение, но единой международной системы пока нет). Например, Lactobacillus acidophilus B12, Bifidobacterium adolescentis 42C, Escherichia coli H127.

9.5 Классификация микроорганизмов

Классификация микроорганизмов – одна из наиболее сложных задач биологии. Идеальная – естественная классификация, определяющая место каждой таксономической группы в эволюции и их родственные связи. В микробиологии до последнего времени использовались искусственные классификации – по нескольким наиболее характерным признакам. Ни одна из существующих не является полной и всеобъемлющей.

Наиболее широко для практических целей используется определитель бактерий Бе́рджи (иногда используется другая транскрипция – Берги). Американский бактериолог Берджи в начале ХХ века предложил разделение бактерий по ряду определенных признаков и в 1924 году выпустил первый определитель. В настоящее время выпущено уже 9 изданий, к их созданию привлекаются ведущие микробиологи мира.

В соответствии с девятым изданием (1994) определителя Берджи все прокариоты делятся на 4 категории:

1 – грамотрицательные эубактерии, имеющие клеточные стенки (в 8 издании они названы грациликутами – в переводе с латинского «с тонкой кожей»);

2 – грамположительные эубактерии, имеющие клеточные стенки (фирмикуты - с крепкой кожей);

3 – эубактерии, лишенные клеточной стенки (тенерикуты - с мягкой, нежной кожей);

4 – археобактерии, имеющие особый химический состав клеточной стенки (мендозикуты - имеющие дефект)

Описание в определителе Берджи 9 издания дается по группам, всего 35 групп.

Готовится 10-е издание определителя Берджи, в котором будет 5 томов (пока изданы первые, на русский язык пока не переведены). В этом издании сделана попытка перехода к филогенетической классификации микроорганизмов на основании сравнения нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. Предусмотрено деление на 3 домена (бактерии, археи и эукариоты), каждый домен делится на филумы, классы, роды, виды. Бактерии и археи имеют прокариотическое строение клеток, однако археи имеют особую структуру 16S рРНК, отличаются строением мембран и специфическими путями метаболизма, которые позволяют им выживать в экстремальных условиях.

Классификация постоянно совершенствуется. Например, существуют загадочные L-формы, которые способны давать некоторые микроорганизмы после воздействия антибиотиков. Похожи на осколки клеток, фильтруются через бактериальные фильтры, при благоприятных условиях могут регенерировать в нормальные полноценные клетки.

10 Морфология и ультраструктура бактериальных клеток

10.1 Основные морфологические типы бактерий

По форме клетки бактерии делятся на три основные группы: похожие на сферу (шаровидные), похожие на цилиндр (палочковидные) и похожие на изогнутый цилиндр (извитые).

1. Шаровидные (сферическая форма) – кокки (лат. coccus – ягода), кроме правильной формы сферы могут быть эллипсоидными, бобовидными и т.п.

В зависимости от взаимного расположения клеток кокки делятся на несколько подгрупп:

• микрококки – беспорядочное расположение отдельных шаровидных клеток (пример - Micrococcus denitrificans, огромная роль в круговороте азота);

• диплококки – парные кокки (Diplococcus pneumoniae – вызывают воспаление легких);

• стрептококки – в виде цепочек, обусловлено особенностями деления клеток в одной плоскости, клетки соединяются тончайшими цитоплазматическими тяжами (Streptococcus thermophilus, термофильный стрептококк, используется в производстве ряженки);

• тетракокки – расположение клеток по 4 (квадратами) в результате деления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (Tetracoccus);

• сарцины – в виде скоплений четкой кубической формы, деление в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (Sarcina flava – часто высевается из воздуха и воды, образует красивые круглые желтые колонии на плотных средах);

• стафилококки - в виде скоплений неопределенной формы, напоминающей виноградные гроздья (Staphylococcus aureus – золотистый стафилококк, может вызвать ангину и пищевое отравление, нормируется во многих пищевых продуктах).

2. Палочковидные (цилиндрическая форма) делятся по следующим признакам:

- по длине (короткие и длинные), толщине (толстые и тонкие), по форме края (закругленные, заостренные, прямоугольные);

- по способности образовывать споры (важный признак):

• спорообразующие (наиболее изученные - бациллы и клостридии, Bacillus subtilis - сенная палочка, Clostridium botulinum – возбудитель ботулизма);

• неспорообразующие (бактерии, Bifidobacterium, Lactobacterium).

Очень короткие палочки с закругленными концами называют коккобактериями (коккобациллами). Если палочки располагаются по две – диплобактерии (диплобациллы), цепочками – стрептобактерии или стрептобациллы.

3. Извитые прокариоты делятся на слабоизвитые и сильноизвитые.

К слабоизвитым относятся вибрионы и спириллы:

• вибрионы (один виток, похожи на запятую, например, Vibrio cholerae – возбудитель холеры);

• спириллы (похожи на S или имеют 4-6 витков, толстые, жесткий каркас, например, Spirillum minus).

К сильноизвитым относятся:

• спирохеты (тонкие гибкие нити с большим количеством витков, очень подвижны, Spirochaeta plicatilis).

Мир микробов очень разнообразен, и кроме трех вышеописанных морфотипов бактерии могут иметь и другие формы: ветвящиеся (актиномицеты), образующие лучевидные выросты (простекобактерии), нитчатые (цианобактерии), образующие замкнутые и незамкнутые кольца (некоторые археобактерии), почкующиеся, с утолщениями разной формы и др.

Очень разнообразны и размеры микроорганизмов, которые обычно измеряют в мкм (10^-6) или нм (10^-9). Для точного измерения используют специальные приспособления – объект- и окуляр-микрометры. Крупные бактерии –5-8 мкм (бациллы), средние 3-4 мкм (кишечная палочка), мелкие 1-2 мкм (кокки, возбудитель туберкулеза – палочка Коха), очень мелкие 0,2-0,3 – риккетсии и микоплазмы (0,1 мкм), на границе разрешающей способности микроскопа, переходные формы между бактериями и вирусами. Размеры вирусов измеряются в нм, от единиц до сотен нм.

Форма и размеры клеток могут изменяться в зависимости от возраста культуры, состава среды и других факторов. Важно различать понятия плеоморфизма и полиморфизма.

Плеоморфные микроорганизмы - способные изменять форму клетки в зависимости от условий внешней среды (например, бифидобактерии на разных средах).

Полиморфные – вообще не имеющие постоянной формы, в одной и той же культуре встречаются разные по форме клетки (например, микоплазмы, не имеющие клеточной стенки).

10.2 Структура и функции основных структурных компонентов прокариотических клеток

Клеточная стенка имеется у большинства прокариот, причем ее строение отличается от строения клеточной стенки растений или грибов. Обязательный компонент клеточной стенки истинных бактерий - пептидогликан муреин, однако строение клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий отличается. У грам+ - это толстая сеть из десятков слоев муреина. У грам- оболочка тоньше, но более сложного строения, включающая тонкий слой муреина, рыхлый слой белка, слой липополисахаридов и поверхностные белки.

В основе химической структуры пептидогликана заложена периодическая последовательность двух аминосахаров – N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитых между собой гликозидными связями и тейхоевыми кислотами. Муреин эластичен и может под действием внешних факторов растягиваться и сжиматься до четырех раз.

Известны также бактерии, не имеющие клеточной стенки и определенной формы клетки (например, микоплазмы), а также прокариоты с особым химическим составом клеточной стенки без муреина – археобактерии.

Благодаря тому, что в клеточной стенке прокариот содержатся вещества, отсутствующие в клетках животных и растений, можно подобрать лекарственные препараты, действующие на бактерию и безвредные для высших организмов (пример – действие пенициллина, при котором нарушается образование клеточной стенки).

Следующая защитная оболочка прокариотической клетки – цитоплазматическая мембрана, состоящая из билипидного слоя, в который погружены многочисленные белки (аналогично жидкостно-мозаичной модели, рассмотренной для цитоплазматической мембраны эукариот). Это полупроницаемая перегородка, которая регулирует потоки питательных веществ и метаболитов, а также участвует в делении клетки.

В цитоплазме располагается основная бактериальная ДНК (кольцевая хромосома, нуклеоид) и плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК, которые также являются носителями наследственной информации и могут передавать ее при конъюгации.

В цитоплазме прокариот из органелл четко выражены только рибосомы. Считается, что функции других органелл выполняют участки цитоплазматической мембраны. Так, например, выросты цитоплазматической мембраны (в виде везикул, трубочек или ламелл), которые называются мезосомы, по-видимому, выполняют роль митохондрий. По другим данным они служат местом прикрепления бактериальной хромосомы, с которого начинается репликация.

У фотосинтезирующих бактерий имеются особые органеллы – тилакоиды, в которых протекают процессы фотосинтеза, в зависимости от строения бывают: везикулярные, тубулярные, ламеллярные, хлоросомы.

В цитоплазме прокариот обнаружены также включения, которые играют роль запасных питательных веществ (полисахариды, полифосфаты, сера) или места сохранения токсинов, пигментов, антибиотических веществ в инертной форме

Некоторые прокариотические клетки имеют поверхностные специфические компоненты: капсулы, жгутики, пили, а также могут образовывать споры или другие покоящиеся формы.

10.3 Поверхностные специфические структуры прокариот

Капсулы - слизистый слой, обычно состоящий из полисахаридов (реже – из гликопротеидов или полипептидов), который защищает клетку от высыхания и неблагоприятных условий среды, в т.ч. защитных реакций макроорганизма. Поэтому возбудители инфекционных заболеваний, способные образовывать капсулы, обладают высокой степенью вирулентности (например, сибироязвенная бацилла B. anthracis). В то же время это свойство может быть использовано в биотехнологии. Например, в молочной промышленности для создания плотной консистенции низкожирных сортов сметаны используют капсулообразующие штаммы сливочного лактококка (Lac. cremoris).

В зависимости от толщины и консистенции различают макрокапсулы, микрокапсулы, слизистые слои и растворимую слизь. Капсулы хорошо видны при негативном окрашивании.

Жгутики - органы движения, тонкие длинные спиральные нити, невидимые в световой микроскоп без специальных методов окрашивания. Обеспечивают высокую скорость, особенно у извитых бактерий.

Жгутик состоит из белка флагеллина, образующего нити – фибриллы, причем для прокариот характерно наличие одной или нескольких нитей без чехла (в отличие от эукариот). Жгутик соединяется с клеткой с помощью базального тела, имеющего сложное строение: нижнее кольцо прикреплено к цитоплазматической мембране, верхнее находится в клеточной оболочке. Биофизики изучают устройство жгутика как биологического моторчика с целью конструирования микромашин, доставляющих лекарства к определенным органам и тканям.

Расположение жгутиков и их количество – характерный видовой признак:

• Монополярный монотрих – один жгутик с одной стороны клетки;

• Монополярный политрих (лофотрих) – несколько жгутиков с одной стороны;

• Биполярный политрих (амфитрих) – несколько жгутиков с двух сторон;

• Перитрих – жгутики располагаются по всему периметру клетки.

Двигательные реакции (таксисы) разделяют на положительные (к веществам - аттрактантам) и отрицательные (от репеллентов), а также на:

• хемотаксисы – под влиянием раздражения химическими веществами;

• аэротаксисы – под влиянием молекулярного кислорода;

• фототаксисы – под влиянием света;

• электротаксисы- под влиянием электрического тока.

Пили (от лат. «волос») или фимбрии (от лат. «нити) – ворсинки, полимерные органеллы белковой природы, обычно расположены перитрихально. Различают несколько типов, основные: адгезивные соматические пили обеспечивают прилипание к питательным субстратам или другим клеткам, конъюгативные F-пили участвуют в передаче наследственной информации.

10.4 Покоящиеся формы прокариот. Этапы формирования и виды спор

Состояние клетки, когда она активно питается, растет и размножается, называется вегетативной формой. Некоторые бактерии способны образовывать т.н. покоящиеся формы - формы существования живых клеток с замедленным метаболизмом, исключительно устойчивые к неблагоприятным условиям внешней среды (температуре, радиации, химическим реагентам, отсутствию влаги и питательных веществ).

К покоящимся формам относятся, прежде всего, эндоспоры, которые могут образовывать грамположительные бактерии. В споровой форме клетка выдерживает несколько часов кипячения, может сохранять жизнеспособность во льдах, без воды тысячи лет (обнаружены жизнеспособные споры в отложениях девонских, пермских, силурийских месторождений).

Споры начинают образовываться, когда истощается питательная среда и накапливаются продукты метаболизма. Процесс образования спор сложный, выделяют несколько стадий:

• репликация ДНК, отделение одной хромосомы и перемещение ее к полюсу клетки, инвагинация ЦПМ, отделение участка клетки и образование проспоры – округлого образования, сильно преломляющего свет, с высокой концентрацией белка и ядерным веществом;

• отделение проспоры от остальной клетки путем впячивания цитоплазматической мембраны, т.о. образуется двойная мембрана – внешняя экзин, внутренняя интин; в процессе участвует дипиколиновая кислота и кальций; проспора может перемещаться в цитоплазме;

• между мембранами проспоры образуется толстый слой - кортекс, состоящий из прочно соединенных молекул пептидогликана;

• формирование белковых защитных оболочек – экзоспориума;

• окончание формирования всех структур споры, приобретение термоустойчивости;

• лизис материнской клетки, выход споры наружу.

Попадая в благоприятные условия, споры прорастают – сначала набухают, активизируются ферментативные процессы, затем оболочка разрушается и прорастает вегетативная клетка.

Расположение спор в клетке – видовой признак микроорганизма:

• в середине – центральное;

• на конце – терминальное;

• промежуточное – субтерминальное;

• с изменением формы клетки (утолщением) – клостридиальное;

• клостридиально-терминальное – плектридиальное.

Другие покоящиеся формы – цисты (азотобактер, спирохеты, риккетсии) – превращение всей клетки с изменением формы и утолщением клеточной стенки; экзоспоры (у актиномицет, похожи на споры плесеней); акинеты у цианобактерий.

1. Уровни клеточной организации у прокариот

Большинство эубактерий – одноклеточные организмы, способные осуществлять свои функции независимо от других клеток. В то же время бактерии способны формировать клеточные агрегаты – колонии, причем колонии имеют определенную форму, размер, цвет, консистенцию, характерную для данного вида микроорганизма.

Иногда формирование колоний связано с определенными функциями. Например, у миксобактерий образование плодовых тел (агрегатов) делает возможным созревание цист (покоящихся форм). Внешние слои колоний играют защитную функцию.

У актиномицет и цианобактерий известны многоклеточные образования в виде нитей, в которых клетки не просто соединены, но окружены защитным чехлом и могут играть разные роли. В то же время удаление чехла не приводит к гибели организмов. Способность к агрегированию и дифференцировке отдельных клеток – предпосылка для возникновения многоклеточности – важнейшего ароморфоза в эволюции живых существ.

11 Характеристика важнейших прокариот

11.1. Возбудители молочнокислого брожения.

Общие свойства возбудителей молочнокислого брожения: грам+, неподвижны, неспоробразующие, факультативные анаэробы или микроаэрофилы, обладают слабой протеолитической способностью, элективные среды – обезжиренное молоко, агар гидролизованного молока (АГМ). Вызывают два вида брожения:

• Гомоферментативное брожение – образуется в основном молочная кислота.

• Гетероферментативное – кроме молочной кислоты образуются другие вещества – диацетил, ацетоин, ароматообразующие, СО₂, летучие жирные кислоты, спирт и т.д.

К важным характеристикам молочнокислых микроорганизмов относятся:

• Предельная кислотность (К_п) – максимальная кислотность, создаваемая культурой в молоке, измеряется в °Т – кол-во мл 0,1 н гидроксида натрия, пошедшего на титрование 100 мл.

• Энергия кислотообразования (ЭК) – определяется по времени образования сгустка в молоке (для этого кислотность должна быть около 60°Т) при внесении 5% закваски.

По форме клеток молочнокислые микроорганизмы делят на кокки и палочки. Молочнокислые кокки относятся к семейству Streptococcaсeae, трем родам: лактококки, стрептококки, лейконостоки.

Род Lactococcus - мезофилы (t_opt = 3035°С), активные кислотообразователи; кокки, расположенные по одному, попарно и короткими цепочками (3-4), К_п = 120°Т, основа закваски для сметаны, творога, сыров, простокваши, продуценты антибиотика низина.

Виды: Lac.lactis (молочный лактококк, гомоферментативное брожение, ЭК 4-7 ч), Lac.cremoris (сливочный лактококк. гомоферментативное, ЭК 6-8 ч), Lac.lactis subsp. diacetilactis (лактококк молочный подвид образующий диацетил, гетероферментативное, ЭК более 16 ч).

Род Streptococcus

Вид: Str.thermophilus - термофильный стрептококк, гомоферментативное брожение, термофил (40-42°С), К_п = 120°Т, образует длинные цепочки слегка удлиненных кокков, входит в состав закваски для ряженки, йогурта, некоторых видов сметаны и творога.

! Среди стрептококков есть и вредные микроорганизмы:

• пиогенные, гноеродные, патогенные (Str. pyogenes), уничтожаются при пастеризации;

• фекальные (Str.faecalis, Str.bovis), обитатели кишечника, могут использоваться в качестве санитарно-показательной микрофлоры, относительно устойчивы к действию температур, возможно развитие при сгущении; известно использование некоторых штаммов в заквасках при созревании сыров.

Род Leuconostoc - гетероферментативное брожение, мезофилы (25-28°С), слабые кислотообразователи, К_п= 80°Т, входят в состав закваски для сметаны, творога, сыров, участвуют в сквашивании капусты и др. продуктов как ароматообразователи.

Виды: Leu.lactis, Leu.dextranicum

Молочнокислые палочки относятся к семейству Lactobacillaceae (в некоторых источниках используется название Lactobacteriaceae)

Род Lactobacillus делится на три группы:

• Термобактерии (оптимальная температура 40-45°C, гомоферментативное, очень активные кислотообразователи, ЭК 4-5 ч, К_п=200-350°Т)

Виды: Lb. acidophilus (ацидофильная палочка, входит в состав закваски для ацидофилина и ацидофильных продуктов, обладающих лечебно-профилактическими свойствами, продуцент антибиотических веществ), Lb. bulgaricus (болгарская палочка, входит в состав закваски для йогурта и Мечниковской простокваши), Lb. lactis, Lb. helveticus (участвуют в созревании сыров).

• Стрептобактерии (располагаются цепочками, мезофилы 30°С, К_п=180°Т, факультативное гетероферментативное брожение – промежуточный тип)

Виды: Lb.plantarum, Lb.casei (участвуют в созревании сыров, используются в хлебопечении, некоторые штаммы относят к пробиотикам)

• Бетабактерии (гетероферментативное, мезофилы, среди палочек – самые слабые кислотообразователи, К_п=120°Т, ЭК 2-3 суток, участвуют в созревании сыров).

Виды: Lb. brevis, Lb.buchneri, Lb. fermentum

11.2. Возбудители уксуснокислого и пропионовокислого брожений.

Пропионовокислое брожение вызывают микроорганизмы семейства Propionibacteriaceae рода Propionibacterium. Вид Pr. shermanii используется при производстве твердых сыров с длительными сроками созревания, в производстве пробиотических продуктов. Мелкие, неподвижные, не образующие спор и капсул, грам+ полиморфные палочки, факультативные анаэробы, вырабатывают витамин В₁₂

Уксуснокислое брожение вызывают представители рода Acetobacter, Ac.aceti – мелкие прямые или слегка изогнутые палочки, подвижны, перитрихи, грам- или грамвариабельны, неспорообразующие, располагаются по одной, в парах, короткие цепочки, строгие аэробы, мезофилы, любят кислую среду. Широко распространены в природе, на фруктах и овощах, в скисших фруктовых соках, уксусе, алкогольных напитках. Входят в состав симбиотической закваски для кефира, используются в биотехнологических процессах получения уксусной кислоты и ее производных.

11.3. Актиномицеты. Бифидобактерии

Актиномицеты относятся семейству Actinomycetaceae – лучистые грибки, сочетают свойства бактерий и грибов. По строению клетки и биохимическим свойствам отнесены в соответствии с современной классификацией к бактериям, но имеют морфологические особенности, сближающие их с грибами: образуют ветвление, многие имеют гифы и мицелий, размножаются экзоспорами. Мицелий может быть субстратным и воздушным. Встречаются сапрофиты и паразиты, принимают активное участие в почвообразовательных процессах, многие – продуценты антибиотиков. Облигатные аэробы с простыми питательными потребностями («всеобщие мусорщики»), грам+, эндоспор не образуют. Большую роль в изучении актиномицет сыграл русский ученый Красильников Н.А.

Классификация актиномицет основана на морфологических признаках: тип мицелия – стабильный или распадающийся, наличие и форма спор, их подвижность и др.

Наиболее изучены виды и штаммы родов:

Streptomyces (продуценты антибиотиков), Thermomonospora – относятся к спороактиномицетам;

Nocardia, Rhodococcus – нокардиоформные;

Actinoplanes, Dactulosporangium – актинопланы.

Streptomyces viridobrunneus – продуцент глюкоизомеразы

По современной номенклатуре к актиномицетам относятся и бифидобактерии.

Род: Bifidobacterium

Наиболее изученные и применяющиеся виды (идентифицировано более 24 видов): B.bifidum, B.adolescentis, B.longum, B.breve, B.infantis.

Характеристика: вариабельные по форме палочки - прямые, изогнутые, разветвленные, Y и V – образной формы, булавовоидной и лопатовидной формы. Грам+, не образуют спор и капсул, неподвижные. Строгие анаэробы, но могут развиваться в присутствии небольших количеств кислорода. Оптимальная температура – 3638°С (мин 20С, мах 50С), оптимальный уровень рН=6-7 (при

Значение: представители нормальной (эубиотической) микрофлоры человека и многих животных (разные виды), у грудных детей – свыше 90%, защита от гнилостной и патогенной микрофлоры, синтез витаминов, аминокислот, бактерицидных веществ. Выпускают в виде бакконцентратов (бифидумбактерин) и включают в кисломолочные напитки. Проблема: плохо растут в молоке, для стимулирования используют специальные добавки, комбинация с другими молочнокислыми.

11.4. Энтеробактерии

Семейство Enterobacteriaceae – грам-, неспорообразующие палочки, постоянные обитатели кишечника человека и животных, много в воде и почве.

Род Escherichia

Вид E. сoli – кишечная палочка, хорошо известная в биотехнологии, карта ДНК изучена во всех деталях, выделены эффективные плазмидные векторы. С помощью технологии рекомбинантных ДНК используется для производства инсулина, интерферона, гормона роста. Недостаток: плохо приспособлена к росту в крупных промышленных ферментерах; вторичные метаболиты остаются внутри клетки, поэтому их можно получить, только разрушив клетку; наличие токсинов, которые нужно удалять из продуктов ферментации, поэтому все чаще используются другие микроорганизмы.

Свойства кишечной палочки: мелкая подвижная палочка; ферментирует лактозу и глюкозу с образованием кислоты и газа, устойчива к желчи, оптимальная температура – 37-40°С; при обычных режимах пастеризации погибают.

При определенных условиях могут вызывать заболевания – колибактериозы, условно патогенная, входит в БГКП (бактерии группы кишечных палочек) – группа санитарно-показательных микроорганизмов, нормирующихся во всех пищевых продуктах. Критерии санитарной оценки пищевых продуктов и др. объектов по присутствию СПМ предусмотрены ГОСТами и СанПиНами. Использовавшийся ранее показатель бродильного титра заменен показателем отсутствия БКГП в определенной массе продукта. Так, например, в пастеризованном молоке, ряженке БГКП должны отсутствовать в 1г, в кефирной закваске – в 3 мл, в твороге – в 0,001 г и т.д.

Для определения БГКП используют среду Кесслер, для дифференциации используется среда Эндо, на которой E.сoli образует красные колонии с металлическим блеском.

В это же семейство входит род Salmonella – мелкие подвижные полочки, возбудители пищевых отравлений и инфекционных заболеваний. На среде Эндо образуют желтые колонии каплевидной формы. Вид S.typhimurium – возбудитель тифа. В некоторых странах считаются индикаторными на наличие патогенной микрофлоры.

Род Proteus – очень подвижные, широко распространенные, активно разлагают белок, протеолитически и липолитически активны. Типовой вид P. vulgaris, нормируется в некоторых белковых продуктах.

Род Shigella, виды S.sonnei, S.dysenteriae – патогенные, вызывают пищевые отравления, бактериальную дизентерию.

11.5. Спорообразующие палочки

Семейство Bacillaceae, род Bacillus – грам+, крупные палочки, сапрофиты (кроме сибироязвенной), обладают активными протеолитическими свойствами, не любят молочной кислоты; продуценты протеолитических ферментов и антибиотиков; широко распространены в природе. Виды:

• B.subtilis – сенная палочка, продуцент антибиотиков (субтилин и др), перспективный объект для генноинженерных работ, продуцент рибофлавина;

• B.mycoides – грибовидная палочка, колонии похожи на грибной мицелий;

• B. megaterium – капустная палочка;

• B. mesentericus - картофельная палочка (вызывают пороки хлеба);

• B. cereus- вызывает пищевые отравления, нормируется в продуктах детского питания;

• B. anthracis – сибироязвенная палочка, патогенная, возбудитель тяжелого инфекционного заболевания, споры сохраняются в почве столетиями.

Семейство Bacillaceae, род Clostridium – мелкие палочки с характерным клостридиальным расположением спор, строгие анаэробы.

Виды: Cl. butiricum, Cl. tyrobutiricum – возбудители маслянокислого брожения, пороков сыров и других пищевых продуктов.

Cl. tetani - возбудитель столбняка, вырабатывает очень сильный экзотоксин.

Cl. botulinum - возбудитель ботулизма, вырабатывает самый сильный биологический яд; споры выдерживают 5 ч кипячения, но в кислой среде не прорастают.

Cl.perfringens – вызывает токсикоинфекции.

Использование в ПБ:

Cl. thermohydrosulfuricum – синтез этанола, уксусной и молочной кислот;

Cl. thermocaccharolyticum – производство глюкозы, ксилозы, этанола, ускусной кислоты.

11.6. Применение принципов систематики на примере важнейших прокариот

Царство (Regnum) Procaryotae

Отдел (Divisio) Fotobacteria Cemobacteria

Класс (Klassis) Riccetsia Eubacteria Micoplasma

Порядок (Ordo) Eubacteriales

Семейство (Familia) Bacillaceae Lactobacillaceae Enterobacteriaceae

Род (Genus) Bacillus Lactobacillus Escherichia

Вид (Species) B. subtilis Lb.acidophilus E.coli

Подвид (Subspecies) B.subtilis subsp. mycoides

Штамм B.subtilis 2335/105 (рекомбинантный штамм, использующийся для синтеза субалина – противовирусного анитибиотика)

12. Грибы

12. 1. Общие свойства и классификация грибов.

В настоящее время грибы относят к царству Mycota (Fungi). Наука, изучающая представителей этого царства, называется микологией.

По внешним признакам (размеру) грибы делят на микромицеты и макромицеты. К микромицетам (микроскопическим грибам) относятся мицелиальные грибы (плесени) и дрожжи, к макромицетам – шляпочные грибы, грибница которых находится в симбиотических взаимоотношениях с растениями.

Грибы – низшие эукариоты, неподвижны, в клеточных стенках у большинства обнаружен хитин (как у насекомых), запасное питательное вещество – гликоген (как у животных). Многие как растения способны к ветвлению и неограниченному верхушечному росту.

Способ питания – гетеротрофный, путем всасывания растворенных питательных веществ. Способны выделять ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, во внешнюю среду, т.е. переваривать пищу вне организма. Среди грибов известны:

• сапрофиты - извлекают питательные вещества из мертвого органического материала, например, Mucor, Penicillium;

• паразиты делятся на облигатные (не вызывают гибели хозяев) и факультативные (вызывают гибель); чаще паразитируют на растениях (например, головня, фитофтора), на животных – при ослабленном иммунитете (например, Candida albicans);

• мутуалисты (в составе лишайников в симбиозе с водорослями, при образовании микоризы как ассоциации с корнями растений).

Некоторые сапрофитные грибы могут вырабатывать вещества, которые являются токсичными для человека и животных (например, афлатоксины в пищевых продуктах).

По отношению к кислороду аэробы, не требовательны к питательным веществам, растут преимущественно на поверхности различных субстратов. Устойчивы к неблагоприятным условиям среды, выдерживают низкие температуры, высокие концентрации осмотически активных веществ.

Размножаются обычно бесполым путем (делением, почкованием, с помощью экзоспор), но периодически способны вступать в циклы полового размножения, что повышает их приспособленность к окружающей среде.

Систематика постоянно совершенствуется, в разных источниках приводится по-разному. По одной из последних классификаций царство Mycota делят на 2 подцарства:

• низшие грибы Myxobionta;

• высшие грибы Mycobionta.

Для низших грибов характерно наличие зачаточного или одноклеточного мицелия. Представляет интерес класс Phycomycetes, насчитывающий около 700 видов. Представители родов Mucor, Rhizopus, Thamnidium часто вызывают плесневение пищевых продуктов, образуя пушистый сероватый налет, некоторые виды используются в биотехнологии для синтеза ферментов.

К высшим грибам относятся дрожжи и плесневые грибы с многоклеточным мицелием. Отдел истинные грибы Eumycota включает 3 класса: Ascomycetes, Basidiomycetes и Deuteromycetes.

Ascomycetes – аскомицеты или сумчатые грибы, при половом размножении образуют споры внутри специальных сумок – асков; бесполое размножение – почкованием, конидиями. К аскомицетам относится род Saccharomyces, к которому принадлежат хлебопекарные, спиртовые, пивные, молочные дрожжи.

Basidiomycetes – базидиомицеты, имеют хорошо развитый септированный мицелий, бесполое размножение – конидиями, половое – базидиоспорами, к этому классу относятся макромицеты – съедобные и несъедобные шляпочные грибы, а также некоторые паразиты хлебных злаков.

Deuteromycetes – дейтеромицеты или несовершенные грибы (Fungi imperfecti), размножаются только бесполым путем (например конидиями, оидиями и др. экзоспосрами). Класс включает 2 порядка:

• протоасковые (в т.ч. неспорообразующие дрожжи);

• гифомицелиальные, в этот порядок входят 6 родов плесневых грибов, которые используются в биотехнологии и являются причиной возникновения пороков пищевых продуктов: Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Geotrichum, Catenularia.

12.2. Особенности строения и размножения мицелиальных грибов (плесеней).

Вегетативное тело плесеней состоит из гиф – разветвленных нитей диаметром 2-10 мкм. У многоклеточных плесеней гифы состоят из отельных клеток, разделенных перегородками-септами, тело одноклеточной плесени представляет собой одну гигантскую клетку со множеством ядер. Совокупность (сплетение) гиф образует мицелий (септированный и несептированный). Мицелий обычно не окрашен, цвет колонии (зеленый, черный, желтый и т.д.) придают споры.

Рост грибов осуществляется за счет кончиков гиф и может продолжаться до тех пор, пока хватает питательных веществ. Такой тип роста называется неограниченным.

Способы бесполого размножения плесеней разнообразны:

• хламидоспорами – уплотнение на гифе;

• конидиоспорами (круглой формы на специальных спороносных органах, характерны для родов Aspergillus и Penicillium);

• оидиями (деление гиф на овальные споры, так размножаются плесени рода Geotrichum, который раньше назывался Oidium);

• спорангиоспорами (овальные споры, формирующиеся в мешочках – спорангиях, род Mucor, Rhizopus, Thamnidium).

Способы полового размножения плесеней основаны на образовании особых видов спор: аскоспор, зигоспор, базиодиоспор. Процесс полового размножения плесеней разделяют на 3 фазы:

1. Плазмогамия – слияние двух протопластов (цитоплазм); новая клетка содержит 2 ядра и называется дикарион, ядра сливаются не сразу, может происходить цикл клеточных делений с сохранением двухядерных клеток.

2. Кариогамия - слияние гаплоидных ядер с образованием диплоидного ядра

3. Мейоз (редукционное деление, сопровождается уменьшением числа хромосом).

Например, при размножении аскоспорами мицелий сначала образует выросты – гаметангии. Один из них (F+) – антеридий, передает наследственную информацию, второй (F-) – аскогоний, принимает. В оплодотворенном аскогонии ядра не сливаются сразу, при делении образуются двухядерные гифы, затем ядра сливаются (кариогамия), происходит мейоз, образуется 8 аскоспор с гаплоидными ядрами. В дальнейшем аски превращаются в аскокарп или прорастают и образуют двухядерный или многоядерный мицелий.

Зигогамия (у мукора): образование на гифах утолщенных и обособленных участков (гаметангии), слияние гаметангий с последующим слиянием ядер и образованием зиготы, прорастание зиготы.

При созревании одного спороносного органа образуются сразу сотни спор, каждая из которых дает начало новой плесени, этим объясняется быстрое поражение продуктов. Для размножения плесеней оптимальными условиями являются температура 25-30С и относительная влажность воздуха 70-80%, необходим доступ воздуха.

12.3. Особенности строения и размножения дрожжей.

Дрожжи – почкующиеся грибы (бесполое размножение – почкованием), относятся к классу аскомицетов, для которых характерно половое размножение аскоспорами (например, род Saccharomyces) или к дейтеромицетам (дрожжи, у которых нет способности к половому размножению, например, Torulopsis).

Форма клеток – шаровидная, яйцевидная, цилиндрическая, лимоновидная и т.п.

Классификация основана на способности к образованию асков, ложного мицелия и почкованию. Например, дрожжи рода Endomycopsis способны к образованию всех трех элементов, Saccharomyces - к образованию асков и почкованию, Candida - к образованию ложного мицелия и почкования, Torulopsis - только к почкованию.

Половое размножение дрожжей протекает следующим образом: диплоидная клетка претерпевает мейоз, в результате образуется 4 гаплоидных клетки двух типов – А и α; они могут делиться, образуя такие же гаплоидные клетки. При слиянии клеток двух типов образуется зигота, превращающаяся в нормальную диплоидную клетку; при слиянии однотипных получается анормальная клетка, не способная к мейозу.

Дрожжи широко распространены в природе (в почве, на поверхности растений, особенно плодов).

12. 4 Плесени и дрожжи в биотехнологии

Плесени используются в производстве пищевых продуктов: некоторых видов сыров (рокфор, голубые, во Франции – около 30 видов), соусов (вносят плесень в соевый белок), красного риса (национальные блюда), японской водки сакэ из рисового крахмала. Но чаще приносят вред: вызывают разнообразные пороки пищевых продуктов (прогоркание масла, «коричневая пуговица» в сгущенном молоке, плесневение хлеба), биотехнологических субстратов; некоторые виды могут вызывать заболевания растений (спорынья, фузариоз, черная гниль), животных и человека (отравления – микотоксикозы, «пьяная болезнь» от хлеба, грибковые поражения кожи и слизистых оболочек).

Некоторые виды плесеней используются в биотехнологии:

• Aspergillus niger – леечная плесень, черные конидии, применяется при получении лимонной, щавелевой кислот, глюкоамилазы, антибиотиков;

• Asp. оryzae – получение амилазы, фермента для гидролиза крахмала;

• Asp. alliaceus, Pen. fuscum – производство фосфоизомеразы;

• Penicillium notatum – зеленая кистевидная плесень, первый антибиотик пенициллинбыл получен Флемингом именно из этой плесени, сейчас с этой целью чаще используют генетически модифицированный вид Pen. chrysogenum;

• Pen. roqueforti, Pen. camamberti – в сыроделии.

Дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae используется человечеством с древних времен в хлебопечении, пивоварении, спиртовом производстве; аэробные, но способны сбраживать сахара в анаэробных условиях с образованием спирта и углекислого газа, путем аэрации этот процесс подавляют. В хлебопечении (в основном для ржаного хлеба) также используется другой вид этого рода - Sacch. minor.

Примеры применения других видов дрожжей в биотехнологии:

• Sacch. lactis, Torulopsis kefiri входят в состав симбиотической кефирной закваски;

• Sacch. vini – винные дрожжи, виноделие;

• Kluyveromyces fragilis – получение этанола из молочной сыворотки;

• Candida lipolitica – синтез лимонной, пировиноградной кислоты, получение кормового белка.

• Kluyveromyces marxianus – синтез инвертазы.

• Blakeslea trispora – продуцент ликопина, эргостерина

13 Вирусы

13.1. История развития вирусологии.

Болезни животных и растений, вызываемые вирусами, известны с глубокой древности. Эпидемии оспы, гриппа – испанки, полиомиелита, кори, свинки, ящура уносили миллионы жизней, опустошая города и страны. Но люди не знали причин эпидемий, и считали это наказанием богов.

Первооткрывателем вирусов считается русский ботаник Дмитрий Иванович Ивановский. В 1892 году, изучая мозаичную болезнь табака, он установил, что она вызывается возбудителем, который способен проходить через бактериальные фильтры, т.е. по размеру меньше бактерий.

Вирусами (от лат. слова вирус – яд) новые существа были впервые названы голландским микробиологом Бейеринком в 1899 году. Бейеринк впервые описал принципиальные различия между бактериями и вирусом табачной мозаики. Однако увидеть их было в то время невозможно – не позволяла разрешающая способность оптического микроскопа.

В конце 19 века было также обнаружено заразное (инфицирующее) действие фильтратов пораженных болезнями тканей животных, но ученые считали, что это токсин.

В 1915 году Творт описал стекловидные колонии микрококков, которые были поражены каким-то невидимым агентом (бактериофагом). Позже, в 1919 году, Д´Эрель подсчитал их частицы по бляшкам, которые появляются на колониях.

В 1933 году Шлезингер впервые наблюдал и подсчитал в темном поле частицы бактериофагов капустной палочки.

В 1941 Руска опубликовал первые снимки вирусов, сделанные с помощью электронного микроскопа. С этого времени вирусология как наука стала быстро развиваться.

В 50-е годы 20 века было изучено явление лизогении, а также было обнаружено, что фаги способны захватывать часть генетической информации бактериальной клетки. Это было в дальнейшем использовано в генетической инженерии.

В настоящее время изучены тысячи различных вирусов, особенно патогенных. Их даже научились использовать (в генетической инженерии как векторы – переносчики генов, в медицине – кишечный бактериофаг). Лечить вирусные заболевания трудно (обычно только симптоматически), антибиотики не действуют. Чем опасны? Вирус проникает в клетку, захватывает управляющие центры (ДНК) клетки и перестраивает ее работу на синтез нужных ему веществ – РНК, белков. У вируса простенькая программа, записанная в нескольких десятках генов, однако он способен заставить клетку работать на себя.

Вирусы способны размножаться в чужих клетках, но сами не имеют клеточного строения. Гипотезы о происхождении вирусов различны. Возможно, они являются результатом дегенерации прокариотической клетки. В то же время это пример биологического прогресса, т.к. такое упрощение в строении сопровождалось увеличением приспособленности и расширением ареала жизненного пространства: везде, где есть клетки, возможно существование вирусов.

13.2. Классификация и морфология вирусов.

Относятся к отдельному царству Vira (империя неклеточные).

В основе классификации: тип нуклеиновой кислоты (2 подцарства: рибовирусы и дезоксивирусы), ее молекулярная масса, процентное содержание, форма вирусной частицы, число структурных субъединиц в белковой оболочке, тип симметрии. В настоящее время вирусы делятся на 19 семейств (12 РНК, 7 ДНК).

Односпиральные РНК-вирусы (11 семейств): ретровирусы, парамиксовирусы, ортомиксовирусы, рабдовирусы, тога-, бунья-, пикорна-, корона-, арена-, калици-, флави- вирусы.

Двуспиральная РНК: реовирусы.

Двуспиральная ДНК: покс-, герпес-, адено-, папова-, иридо-, гепадна- вирусы.

Односпиральные ДНК: парвовирусы.

Особенности морфологии вирусов: не имеют клеточного строения, очень малые размеры (от 20нм вирус полимиелита до 350 нм вирус оспы), облигатные внутриклеточные паразиты, не имеют собственных метаболических систем; содержат генетическую информацию, которую передают потомству (от 6 до нескольких сотен генов).

По форме вирусных частиц (вирионов) различают:

• шаровидные (вирус гриппа);

• кубоидальные (оспы);

• палочковидные (мозаичная болезнь табака, картофеля);

• сперматозоидные (многие бактериофаги);

• пулевидные (вирус бешенства);

• нитевидные (колифаги).

Общие принципы строения вирусов: в центре – нуклеиновая кислота, вокруг – оболочки. Первая – капсид, состоит из повторяющихся белковых субъединиц (капсомеров), располагающихся в определенном порядке, который определяет тип симметрии: спиральный, кубический, комбинированный. У сложных вирусов имеется вторая наружная оболочка (суперкапсид) с выступами-шипами.

Строение типичного бактериофага: шаровидная или икосаэдрическая головка с ДНК, покрытая капсомерами, и отросток, представляющий собой полый стержень, покрытый белковой оболочкой, заканчивающийся шипами и нитями, с помощью которых фаг прикрепляется к поверхности клетки.

13.3. Размножение вирусов.

Вирусы способны размножаться только в клетке организма-хозяина (облигатные внутриклеточные паразиты, высокоспецифичны). Различают вирусы - паразиты растений, животных, бактерий (бактериофаги, фаги).

Если фаги способны поражать только определенный штамм бактерий, их называют типовыми, только вид – монофагами, разные виды – полифагами.

Процесс репродукции вируса можно разделить на 6 стадий (плакат):

1. Стадия адсорбции – прикрепление вируса к поверхности восприимчивой клетки.

2. Стадия инъекции – вирус впрыскивает свою нуклеиновую кислоту (у фагов) или проникает сам и сбрасывает белковую оболочку (например, вирус гриппа).

3. Стадия репликации вирусной нуклеиновой кислоты – за счет нуклеотидов хозяина.

4. Стадия синтеза белков, специфичных для вируса (структурных и ферментов, в рибосомах хозяина)

5. Стадия сборки (самоорганизации) вирусов (образование комплексов НК и белков, оболочек, зрелых вирионов)

6. Стадия лизиса клетки – хозяина под действием ферментов фага.

Разрушение клетки-хозяина не всегда присходит сразу. Различают три типа взаимодействия вируса с клеткой:

• продуктивный (в зараженной клетке последовательно проходят все этапы, она разрушается, образуется новое поколение вирусов), такие вирусы называют агрессорами;

• интегративный (вирусная ДНК встраивается в хромосому клетки-хозяина и после редупликации передается новым клеткам, они становятся лизогенными), такие вирусы называются комменсалами (профаги или умеренные фаги), они не разрушают клетку сразу. При ослаблении клетки (механизм полностью не раскрыт) вирус приобретает агрессивность.

13.4. Бактериофагия в биотехнологической промышленности

Бактериофаги разрушают полезные микроорганизмы (заквасок, бакпрепаратов) в пищевой и биотехнологической промышленности.

Причина: высокая скорость размножения бактериофагов при благоприятных условиях (большое обсеменение сырья, сан-гигиеническое состояние производства), высокая устойчивость к действию температуры, рН, высушиванию.

Наиболее подвержены действию бактериофагов кокки, палочки более устойчивы, однако наблюдается опасная тенденция к полифагии. Фагорезистентность контролируется как основной ДНК, так и плазмидами, и может быть изменена

Косвенные показатели фаголизиса: внезапное прекращение нарастания кислотности, низкая кислотность субстрата, невыраженный вкус закваски или продукта.

Для борьбы с бактериофагами используют различные методы:

• подбор многовидовых и многоштаммовых заквасок (культур);

• постоянная ротация (замена) заквасок;

• создание фагорезистентных культур и заквасок с использованием методов генной инженерии (созданы коллекции бактериофагов, которые используются в селекционной работе при проведении тестов на фагорезистентность);

• соблюдение правил санитарии и гигиены, особенно мойки и дезинфекции оборудования, стен и т.п.

Обнаружение и идентификация – на основе обнаружения патогенного действия, образования внутриклеточных включений или бляшек на колониях. Так, например, в питьевой воде нормируется показатель наличия коли-фагов, измеряется в БОЕ – бляшкообразующих единицах.

Культивирование вирусов проводят на биологических объектах – в организме лабораторных животных, в куриных эмбрионах, в культурах клеток, в т.ч. бактериальных, или тканей.

Обнаружение и идентификация – на основе обнаружения патогенного действия, образования внутриклеточных включений или бляшек на колониях. Так, например, в питьевой воде нормируется показатель наличия коли-фагов, измеряется в БОЕ – бляшкообразующих единицах (зоны лизиса на колониях кишечной палочки).

14. Особенности метаболизма, размножение и культивирование микроорганизмов

1. Классификация микроорганизмов по типу питания

Микроорганизмы, как и все живые существа, в зависимости от источника углерода относятся к автотрофам или гетеротрофам.

В зависимости от источника энергии микроорганизмы делятся на фототрофы (используют энергию Солнца, например, цианобактерии) и хемотрофы (используют энергию химических реакций, например, серобактерии, нитрифицирующие, железобактерии).

В зависимости от источника электронов в энергетическом процессе микроорганизмы делятся на литотрофов (источник электронов – неторганические вещества) и органотрофов (органические вещества).

Таким образом, можно выделить 8 сочетаний типов энергетического и конструктивного метаболизма прокариот. Большинство изученных прокариот относится к группе хемоорганогетеротрофов, среди фотосинтезирующих – к группе с фотолитоавтотрофным питанием. Однако обнаружены и микроорганизмы с хемолитоавтотрофией (например, водородные бактерии), хемолитогетеротрофией (метанобразующие архебактерии), фотоорганоавтотрофией (некоторые пурпурные бактерии) и др. необычными путями метаболизма. Некоторые микроорганизмы способны использовать разные источники электронов или энергии.

Микроорганизмы - гетеротрофы делятся также на группы:

• сапрофиты (метатрофы), питающихся мертвой тканью животных и растений (например, Bacillus mesentericus – картофельная палочка);

• паразиты (паратрофы), которые живут за счет органики живых организмов (иногда являются возбудителями инфекционных заболеваний (например, Mycobacterium tuberculosis – туберкулезная палочка).

В зависимости от источника азота микроорганизмы также делятся на группы:

• аминоавтотрофы усваивают азот из неорганических веществ (азотфиксирующие почвенные клубеньковые бактерии; нитритно-нитратные – окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислот);

• аминогетеротрофы используют органические источники азота – дезаминирующие (усваивают только аминокислоты), пептонизирующие (только пептоны), протеолитические или гнилостные (расщепляют белки, способны выделять экзоферменты во внешнюю среду).

В зависимости от особенностей метаболизма выделяют также группу прототрофов – бактерий, способных синтезировать все соединения из глюкозы как единственного источника С и из солей аммония как единственного источника азота; все остальные – ауксотрофы.

1. Энергетические процессы у микроорганизмов. Виды брожений

Энергия нужна клетке для синтеза различных веществ, для осуществления движения и для поглощения веществ из окружающей среды (по механизму активного транспорта). Получение энергии обеспечивается процессами катаболизма – расщепления и окисления веществ, причем для микроорганизмов, как и для других живых существ, универсальным переносчиком энергии является АТФ.

Существуют два принципиально разных пути синтеза АТФ в клетке:

• субстратное фосфорилирование, реакции осуществляются в растворах;

• мембранное (окислительное или фото-) фосфорилирование – перенос электронов по электронтранспортной цепи (ЭТЦ), при этом субстраты окисляются постепенно, характерен для аэробных условий, синтез АТФ осуществляется на мембране.

Центральным амфиболитом считается глюкоза. Из трех известных путей первого этапа окисления глюкозы в пируват два - гликолиз и кетодезоксифосфоглюконатный путь - встречаются у микроорганизмов; третий, пентозофосфатный путь распространен у растений, а у микроорганизмов играет вспомогательную роль. Дальнейшее преобразование пирувата в ацетил-КоА у микроорганизмов может происходить по четырем различным механизмам, после чего ацетил-КоА поступает в окислительные циклы (прежде всего, цикл трикарбоновых кислот) или участвует в процессах брожений.

Брожением называют бескислородные превращения пирувата, при которых АТФ образуется в процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования.

Микроорганизмы могут вызывать разные виды брожений, например:

- молочнокислое гомоферментативное брожение (Lactococcus lactis, Lactobacillus acidophilus), общее уровнение:

С₆Н₁₂О₆  2 С₃Н₆О₃ (+2АТФ);

- спиртовое (дрожжи Saccharomyces cerevisiae)

С₆Н₁₂О₆  2 С₂Н₅ОН +2 СО₂ (+2АТФ);

- уксуснокислое, пропионовокислое, маслянокислое, ацетонобутиловое муравьинокислое и др.

Известны также типы гетероферментативных брожений, при которых набор конечных продуктов может быть различным как в качественном, так и в количественном отношении. Например, некоторые клостридии и энтеробактерии могут образовывать аетат, этанол, СО₂ или лактат; бифидобактерии образуют лактат и ацетат; гетероферментативные лейконостоки – ацетат, фцетоин, этанол, СО₂ и т.д.

1. Особенности размножения бактерий.

В результате поступления питательных веществ и процессов ассимиляции происходит увеличение массы и размеров микроорганизмов, т.е. их рост. Достигнув определенной фазы роста и зрелости, клетка начинает размножаться.

Бактерии размножаются путем равновеликого бинарного поперечного амитотического деления, в котором можно выделить 3 стадии:

• Редупликация – начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к цитоплазматической мембране.

• Синтез мембраны в области контакта ДНК с мембраной → разделение, растаскивание молекул ДНК и оформление обособленных хромосом.

• Образование поперечной перегородки (септа у грам+, перетяжка у грам-) от периферии клетки к центру и разделение клетки на 2 дочерних.

Существуют и особые формы размножения, редко встречающиеся у бактерий: почкование, множественное деление у цианобактерий, образование экзоспор и фрагментация мицелия у актиномицет, образование плодовых тел и миксоспор у миксобактерий и др.

У бактерий известен также половой процесс – конъюгация, при которой наследственная информация в виде участка ДНК или плазмиды передается от одной клетки к другой.

Скорость размножения зависит от вида микроорганизма, возраста культуры, состава питательных сред, температуры, наличия кислорода, ростовых факторов и т.д. Время генерации кишечной палочки – 20-30 мин, нитрифицирующих – 5-10 ч, туберкулезной палочки – 18-24 ч.

Если бы клетки делились постоянно, то одна кишечная палочка в течение двух суток дала бы потомство, масса которого превысила бы массу земного шара. Однако этого не происходит. Что ограничивает размножение? Недостаток питательных веществ, образование токсичных метаболитов и др. факторы.

Рассмотрим закономерности размножения микроорганизмов в ограниченной объеме жидкой питательной среды, т.е. в статических условиях.

1. Закономерности развития микроорганизмов в статике (фазы роста)

Развитие микроорганизмов в статических условиях ограничено определенным объемом питательной среды. Закономерности характерны для периодического культивирования и могут быть отражены на графике зависимости логарифма количества клеток от времени культивирования. Выделяют 4 фазы роста:

1. Начальная фаза (лаг-фаза) – время приспособления (адаптации) микроорганизма к питательной среде, размножения клеток не наблюдается. Начинается синтез необходимых ферментов (механизм регуляции синтеза белка). Продолжительность фазы зависит от видовых особенностей, количества и возраста (активности ферментных систем) клеток, состава питательной среды, условий культивирования. Если активная культура попадает в такую же среду, лаг-фаза минимальная. Клетки обладают повышенной чувствительностью к внешним воздействиям.

2. Фаза логарифмического роста. Характерна максимальная скорость роста и размножения клеток; в культуре много молодых, биологически активных мко. Продолжительность зависит от количества питательных веществ, скорости накопления и токсичности продуктов метаболизма, аэрации для дрожжей. Устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды повышается.

Постепенно среда истощается, уменьшается количество доступных источников питания, накапливаются продукты обмена веществ. Для увеличения продолжительности этой фазы при непрерывном культивировании вводят новые порции питательной среды и удаляют часть клеток и продукты метаболизма.

3. Стационарная фаза – равновесие между числом образовавшихся и погибших клеток. Устойчивость клеток высокая. Скорость размножения снижается. При культивировании заквасок – фаза урожая. В дрожжевом производстве – дозревание клеток. Растет концентрация токсичных продуктов обмена.

1. Фаза отмирания – прекращение роста и размножения, уменьшение количества живых клеток, появление деградированных (больных) форм, формируются споры, накапливаются вторичные продукты метаболизма. Фаза может длиться несколько недель или месяцев, культура погибает.

1. Сущность и виды культивирования микроорганизмов

Культивирование – выращивание микроорганизмов на специальных питательных средах. Культивирование проводят в лабораторных и производственных условиях с целью:

• количественного и качественного анализа микрофлоры различных объектов: пищевых продуктов, воды, воздуха и т.д.;

• изучения свойств микроорганизмов и их идентификации;

• выращивания полезных микроорганизмов (приготовление заквасок, получение продуктов микробиологического синтеза, ферментов, белка и т.д.).

Питательные среды должны содержать все питательные вещества, макро- и микроэлементы, необходимые для развития данного вида (или группы видов) микроорганизмов, а также иметь оптимальные значения активной кислотности и окислительно-восстановительного потенциала. К обязательным компонентам относятся: вода, биогенные элементы (С, Н, О, N, Р, S), для большинства микроорганизмов необходимы также К, Са, Fe, Mg, для некоторых требуются микроэлементы (Со, Ni, Zn), витамины и др. ростовые факторы. Закономерности роста на разных питательных средах определяют культуральные свойства и являются видовым признаком.

На плотных питательных средах микроорганизмы образуют колонии – популяции микробных клеток, между которыми существуют связи за счет прилипания (когезии) или специальных образований – тяжей. Это своего рода саморегулирующаяся многоклеточная система. Колонии очень разнообразны по форме, цвету, размерам и т.д., их описание используется при идентификации микроорганизмов.

Различают три вида культивирования микроорганизмов:

1. Периодическое – используется при получении заквасок; характерны закономерности статической культуры до фазы отмирания, включает стадии выращивания, концентрирования клеток путем отделения от питательной среды сепарированием, сублимационной сушки, для которой используются специальные защитные среды.

2. Непрерывное, целью которого является продление фазы роста, для этого используют два способа – многократный пересев на новую питательную среду и непрерывное введение питательного раствора при одновременном удалении продуктов метаболизма и части бактериальной суспензии. Осуществляют в специальных аппаратах двух типов: хемостатах (рост микроорганизмов регулируется концентрацией лимитирующих веществ питательного субстрата – источников С, азота, витаминами, микроэлементами и т.п.) или в турбидостатах (процесс контролируется по изменению концентрации микроорганизмы путем измерения оптической плотности, мутности в прозрачных питательных средах).

3. Синхронное – одновременное деление клеток, применяется в научных целях для изучения циклов клеточного деления; нужны клетки одного возраста, этого добиваются путем изменения температуры, поступления кислорода, питательных веществ, использования бактериальных фильтров.

1. Метаболические процессы как основа биотехнологических производств.

Микробный синтез – многоступенчатый процесс получения какого-либо полезного вещества на основе использования микроорганизмов, в котором участвует большое количество ферментов (молочная и др. кислоты, антибиотики, аминокислоты). Отличием микробной трансформации является участие одного фермента, катализирующего специфическую реакцию (получение стероидов, гормонов, окисление глюкозы в глюконовую кислоту).

Различают также синтез:

• первичных метаболитов – низкомолекулярные органические вещества, служат материалом для построения макромолекул или коферментов: аминокислоты, нуклеотиды, витамины, органические кислоты (самые большие объемы производства в мире уксусной и молочной кислоты), спирты;

• вторичных метаболитов – веществ, образующихся на поздних фазах развития культуры, когда истощается среда и накапливаются первичные метаболиты: антибиотики, токсины, пигменты. Если патогенные микроорганизмы выделяют токсины при жизни во внешнюю среду – экзотоксины, если токсины образуются внутри клетки – эндотоксины. Способность к синтезу пигментов – видовой признак, защита от облучения (желтые колонии сарцин, розовые микрококков, красные колонии образуют некоторые дрожжи, чудесная палочка, сине-зеленые – синегнойная палочка). По сути, вторичные метаболиты – это вещества, использующиеся клеткой для выживания в неблагоприятых условиях.

15. Влияние факторов внешней среды на развитие микроорганизмов

15.1 Влияние температуры

Температура окружающей среды – один из наиболее важных факторов, т.к. сами микроорганизмы не способны ее регулировать.

Область температур, в которой идут биохимические реакции, называется биокинетической зоной (от –2 до 100°С). Гибель микроорганизмов за пределами биозоны наступает в результате инактивации ферментов, РНК, повреждения цитоплазматической мембраны.

Низкие температуры микроорганизмы выдерживают легче, т.к. наблюдается не гибель, а замедление роста и размножения, у некоторых микроорганизмов жизнеспособность даже вегетативных форм сохраняется после охлаждения до –250°С в течение нескольких суток, а споровые в вечной мерзлоте сохраняют жизнь тысячелетиями. Условие – отсутствие механического повреждения кристаллами льда. На этом основан щадящий способ получения сухих заквасок – сублимационный или лиофильный (путем вымораживания воды).

По отношению к температуре микроорганизмы делят на три группы – психрофилы, мезофилы и термофилы.

1. Психрофилы (криофилы, холодолюбивые) развиваются при низких температурах, бывают:

• облигатные (строгие) – мах (максимальная температура развития) 2025°С, оптимум (оптимальная температура) 1015С, мин (минимальная температура развития) 0  -18°С;

• факультативные – мах 3037С, опт 20С, мин 0 -18°С.

Можно выделить из вод северных морей, ледников, холодильных камер. Вызывают порчу молочных продуктов, например, Pseudomonas fluorescens – флуоресцирующая палочка. Некоторые могут образовывать токсины и вызывать пищевые отравления (например, Listeria monocytogenes).

1. Мезофилы – любят средние температуры; мах 4045°С, опт 2537°С, мин 510°С. К мезофилам относятся многие виды заквасочной микрофлоры (например, Lactococcus cremoris, Lactobacillus casei, Saccharomyces cerevisiae), некоторые являются возбудителями заболеваний человека и животных (Staphylococcus aureus, Vibrio cholerae).

2. Термофилы (теплолюбивые), различают несколько разновидностей:

• факультативные мах 5065°С, опт 4550°С, мин 1820°С (к ним относятся молочнокислые термобактерии, например, Lactobacillus acidophilus);

• облигатные – мах 7090°С, опт 6570°С, мин 40°С (могут развиваться в вакуум-выпарных аппаратах);

• стенотермные, термофилы-экстремалы, выдерживают 100°С, выделены из горячих источников, относятся к категории археобактерий;

• термотолерантные выдерживают 5060°С, но лучше развиваются при 35-40°С.

Для каждого вида микроорганизмов могут быть определены следующие характеристики:

• точка термической гибели – наиболее низкая температура, при которой микроорганизмы погибают за 10 мин;

• время термической гибели – время, в течение которого погибают все микроорганизмы данного вида при определенной температуре.

Эти характеристики зависят от состава питательной среды, осмотического давления, количества и возраста клеток. На основе изучения влияния температуры на развитие микроорганизмов разработаны режимы пастеризации и стерилизации. Цель стерилизации – уничтожение микроорганизмов как в вегетативной, так и в споровой форме, при пастеризации уничтожаются только вегетативные клетки.

15.2. Влияние влажности и осмотического давления.

Микробная клетка на 70-85% состоит из воды, все питательные вещества попадают в клетку только в растворенном виде, поэтому активность воды – один из важнейших абиотических факторов. По потребности в воде микроорганизмы подразделяют на три группы: гидрофиты (влаголюбивые), мезофиты (средние потребности) и ксерофиты (минимально потребляющие воду).

Нормальное состояние (тургор) клетки характеризуется определенной величиной осмотического давления, которое зависит от концентрации растворенных веществ, прежде всего минеральных солей и моносахаров.

При повышении осмотического давления в окружающей среде (гипертонический раствор) клетка обезвоживается, цитоплазматическая мембрана отходит от цитоплазмы, клетка погибает в результате плазмолиза. На этом явлении основаны многие способы консервирования пищевых продуктов и биологических объектов.

Существуют микроорганизмы, которые выдерживают повышенное осмотическое давление – осмофилы. Различают солелюбивые (галофилы) и сахаролюбивые осмофилы. Экстремальные галофилы выдерживают концентрацию соли до 32%. К умеренным осмофилам относятся многие виды плесеней, дрожжей, микрококков, которые могут вызывать пороки сгущенных молочных консервов.

При снижении осмотического давления (гипотонический раствор) клетка впитывает избыточное количество влаги и тоже может погибнуть, это явление плазмоптиза.

15.3. Влияние реакции среды и химических веществ

Большинство микроорганизмов относятся к нейтрофилам, которые предпочитают среды, близкие к нейтральным в диапазоне рН 7,0±1,0, и погибают при рН менее 4,5 и более 9. Концентрация ионов водорода воздействует на ионное состояние и, следовательно, на доступность для клетки многих метаболитов.

Существуют микроорганизмы, которые любят кислую среду (рН от 0 до 5,5) – ацидофилы, например Lb. аcidophilus. Как правило, ацидофилы сами способны вырабатывать кислоты (например, молочную, уксусную и др.). Экстремальные ацидофилы или кислотоустойчивые бактерии выдерживают рН=1.

Микроорганизмы, которые лучше развиваются в щелочных средах (рН от 8,5 до 11,5) называются алкалофилами. К ним относятся протеолитические микробы, разлагающие белок с образованием щелочных продуктов, они плохо выдерживают кислую среду (например, Proteus vulgaris, все Bacillus subtilis). Это свойство используется при консервировании (маринады), производстве кисломолочных продуктов, которые могут храниться длительное время.

Некоторые химические вещества могут быть неблагоприятны для микроорганизмов, останавливая их рост (бактериостатический эффект) или вызывая гибель (бактерицидный эффект). Например:

• поверхностно-активные (мыла, жирные кислоты);

• фенол, крезол и производные – действуют на клеточную стенку и белки цитоплазмы;

• акридины нарушают процесс деления клеток;

• формальдегид и соли тяжелых металлов вызывают денатурацию белков.

Это явление используется в медицине и пищевой промышленности для дезинфекции инструментов и оборудования.

15.4 Влияние кислорода

Важную роль в энергетических процессах играет кислород. По отношению к молекулярному кислороду микробов делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов.

Аэробам для метаболизма необходим кислород, они хорошо растут в его присутствии, образуя колонии на поверхности плотных питательных сред (Sarcina flava, Bacillus subtilis). Аэробы могут быть растущими на воздухе и микроаэрофильными (растут при низких концентрациях кислорода).

Анаэробы, которым кислород не нужен для процессов метаболизма, делятся на:

• строгих, которые гибнут в присутствии кислорода, для их культивирования используют специальные питательные среды (Clostridium botulinum),

• факультативных (способных переключаться с анаэробного пути окисления на аэробное), образуют глубинные колонии на плотных питательных средах (например, молочнокислые бактерии)

• аэротолерантных (терпимых к присутствию кислорода).

15.5. Влияние излучения, ультразвука, электричества и магнитного поля

Видимое излучение (солнечный свет) некоторые микроорганизмы способны использовать (например, фотосинтезирующие бактерии), для большинства солнечные лучи губительны, в т.ч. для патогенных микробов. Наиболее эффективны коротковолновые УФ лучи, т.к. поглощаются нуклеиновыми кислотами и белками, вызывают мутации, инактивацию ферментов, оказывают влияние на метаболизм. Наиболее устойчивы пигментообразующие микроорганизмы. Некоторые бактерии способны приобретать устойчивость при облучении.

Ультразвук вызывает механическое повреждение и разрушение клеток, больше влияет на палочковидные микроорганизмы.

Электричество оказывает действие через электромагнитные процессы в среде и клетке, УВЧ-токи – благодаря тепловому воздействию (колебание диполей воды).

Магнитное поле влияет на магниточувствительные микроорганизмы, по-видимому через белки-ферменты, содержащие атомы железа; установлено влияние геомагнитной обстановки на вспышки инфекционных заболеваний.

Гидростатические давление более 110 МПа вызывает денатурацию белков, инактивацию ферментов и гибель микроорганизмов, однако на дне океанов обнаружены барофильные глубоководные археобактерии.

Невесомость замедляет рост колоний, возможно, нарушается контакт между клетками.

! Физико-химические факторы взаимосвязаны между собой. Так, например, действие химических веществ зависит от температуры, рН, осмотического давления и т.д.

15.6 Виды взаимоотношений между микроорганизмами

Основные типы взаимоотношений: симбиоз - позитивные, антибиоз или антагонизм - негативные, нейтрализм – безразличные, индифферентные.

Рассмотрим примеры симбиотических взаимоотношений между микроорганизмами.

Мутуализм – идеальный симбиоз (например, кефирный грибок – это симбиоз молочнокислых, уксуснокислых бактерий и дрожжей, который пока не может быть создан искусственно).

Комменсализм – один получает пользу, второму безразлично (например, кишечная палочка в теплокровном организме).

Метабиоз – специфический вид симбиоза, при котором один вид микроорганизмов продолжает процесс, вызванный другим (например, сожительство аммонитрификаторов, окисляющих белки до токсичного аммиака, и нитрификаторов, окисляющих его до безопасных веществ).

Сателлизм – стимуляция роста одного микроорганизма продуктами жизнедеятельности другого (дрожжи вырабатывают витамины группы В, которые ускоряют рост молочнокислых бактерий).

Синергизм – усиление физиологических функций в сообществе (сочетание молочнокислых микроорганизмов-кислотообразователей и ароматообразователей в заквасках).

Антагонистические взаимоотношения в мире микробов также могут проявляться по-разному:

• паразитизм (бактериофагия);

• продукты жизнедеятельности одного микроорганизмы губительно действуют на другие микроорганизмы (молочнокислые бактерии подавляют гнилостную микрофлору);

• истощение питательного субстрата микроорганизмом, который развивается быстрее (культурные и дикие дрожжи в хлебопечении);

• выделение антибиотических веществ.

15.7 Виды и механизмы действия антибиотиков

Антибиотики – специфические соединения (вторичные метаболиты клетки), способные в незначительных количествах избирательно задерживать рост или убивать микроорганизмы.

Термин введен Ваксманом в 1942 году. Важное свойствао – специфичность, избирательность действия только на определенные, чувствительные виды микроорганизмов. Описано более 5 тысяч, на практике применяется около 100 (основное требование - максимальная безвредность для макроорганизма).

Антагонистическое действие некоторых микроорганизмов было замечено давно и применялось в народной медицине (плесени – для лечения ран, кисломолочные для лечения кишечных заболеваний и туберкулеза). Роль ученого-первооткрывателя антибиотиков принадлежит Александру Флемингу – английскому ученому-бактериологу (1881-1955). Он заметил, что в чашках Петри вокруг разросшихся колоний плесеней появились участки, очищенные от стафилококковых колоний. Флеминг пересеял пенициллиновую плесень в жидкую среду и выделил вещество, подавляющее стафилококки – пенициллин.

Первый пенициллин был нестойким, быстро терял свойства, был дорогим из-за сложной очистки. Только после того как методами направленной селекции удалось получить штаммы, продуцирующие в десятки тысяч раз больше антибиотических веществ, чем природные штаммы, производство и применение антибиотиков приобрело широкие масштабы. Сейчас ученые вынуждены постоянно работать над получением новых антибиотиков, т.к. патогенные микроорганизмы обладают способностью к приобретению антибиотикоустойчивости.

По происхождению антибиотики делятся на:

• продуцируемые актиномицетами (стрептомицин, тетрациклин, неомицин, нистатин и др), активны в отношении грам+ бактерий (возбудителей туберкулеза, брюшного тифа, бруцеллеза, сальмонеллеза и др.);

• продуцируемые плесневыми грибами (пенициллиновые – действуют на грам+ стафилококки и стрептококки);

• продуцируемые бактериями (грамицидин, субтилин, низин), подавляют развитие кишечных палочек, стафилококков, маслянокислых бактерий;

• животного происхождения (лизоцим, эритрин из эритроцитов, экмолин из тканей рыб);

• растительного происхождения (фитонциды лука, чеснока, крапивы и др.)

Бывают также полусинтетические (полученные биопутем, но подвергнутые химической модификации) и синтетические антибиотики.

По механизму биологического действия условно подразделяют на:

• ингибирующие синтез клеточной стенки (пенициллин);

• нарушающие функции мембран (грамицидин, нистатин);

• подавляющие синтез НК (канамицин, неомицин);

• ингибиторы процессов дыхания.

Эффективность действия антибиотика зависит от следующих факторов:

• природы (происхождения, механизма действия) антибиотика;

• концентрации и времени действия антибиотика;

• свойств клетки;

• внешних условий (температуры, рН и др).

15. 8 Биологические принципы консервирования.

Знания о влиянии факторов внешней среды используются для регулирования жизнедеятельности микроорганизмов при производстве и хранении продуктов (субстратов) в биотехнологической промышленности.

Выделяют 3 биологические принципа консервирования:

Биоз – поддержание в продукте или сырье жизненных процессов, препятствующих развитию микроорганизмы, а также использование естественного иммунитета сырья (бактерицидная фаза молока).

Анабиоз – подавление биологических процессов; различают несколько видов:

• термоанабиоз – охлаждение (психроанабиоз) и замораживание (криоанабиоз);

• ксероанабиоз (удаление влаги, высушивание),

• осмоанабиоз (создание высоких концентраций осмотически активных веществ),

• наркоанабиоз (фасовка и хранение в среде газов – кислорода, азота, углекислого газа),

• ценоанабиоз (введение полезных микроорганизмы, подавляющих развитие вредных).

Абиоз – полное прекращение жизненных процессов, достигается путем стерилизации.

16. Генетика и селекция микроорганизмов

16.1 История изучения изменчивости микроорганизмов.

Начало серьезного изучения изменчивости микроорганизмов относится ко второй половине 19 века. В это время формировались два противоположных направления:

• полиморфизм – отрицание постоянства формы бактерий, существует только несколько видов, которые подвержены постоянным изменениям морфологических, культуральных, биохимических свойств в зависимости от условий; отрицание возможности систематики микроорганизмов;

• мономорфизм (связан с разработкой методов выделения чистых культур на плотных питательных средах) – отрицание изменчивости свойств микробов, созданы основы классификации микроорганизмов.

Современные научные представления: в природе существует множество видов микроорганизмов, обладающих определенными биологическими свойствами, которые передаются по наследству и могут изменяться под влиянием физических, химических и биологических факторов внешней среды.

16.2 Виды и формы изменчивости микроорганизмов

Как и у других живых организмов, изменчивость микробов может быть фенотипической и генотипической, в т.ч. мутационной и комбинативной.

Генотипическая комбинативная изменчивость связана с рекомбинацией генов, при этом меняется характер их взаимодействия, в результате меняются признаки. У прокариот известны особые виды комбинативной изменчивости – трансформация, трансдукция, коньюгация.

Трансформация – перенос участка ДНК от клетки донора к клетке-реципиенту. Условие – клетка-донор разрушена.

Явление открыто в 1928 году Гриффитом. Английский микробиолог наблюдал изменения наследственного признака у пневмококков Diplococcus pneumoniae. У этого вида имеются несколько штаммов, отличающихся формой колоний (S и R) и вирулентностью. Штамм S вызывает гибель животных от пневмонии, штамм R – не вызывает. Гриффит заражал мышей смесью R-штамма и убитых нагреванием бактерий S-штамма, при этом мыши заболевали и погибали, а среди выделенных клеток были обнаружены S-штаммы, т.е. произошло превращение некоторых бактерий R-штамма в вирулентные. В 1944 году американский микробиолог Эйвери повторил эксперимент, но на другом уровне: выделил из S-штамма ДНК, внес ее в культуру с R-штаммом и показал, что переносчиком информации о вирулентности является ДНК. Так было получено одно из доказательств того, что ДНК – материал наследственности и изменчивости.

Путем трансформации может быть изменена болезнетворность микробов, чувствительность к антибиотикам, способность к синтезу ферментов и другие признаки.

Трансдукция – перенос генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту умеренным фагом.

Явление открыто в 1952 году Циндлером и Ледербергом. Объект - тифозные бактерии Salmonella typhimurium. В У-образную трубку, разделенную бактериальным фильтром, были помещены 2 штамма бактерий – один (2А) способен синтезировать триптофан, второй (22А) – не способен. В среду был внесен бактериофаг, после чего некоторые клетки 22А приобрели способность к синтезу этой аминокислоты. Так было доказано, что бактериофаги могут являться переносчиками наследственной информации.

Конъюгация – форма полового процесса между микроорганизмами, при котором происходит передача ядерного вещества (участка хромосомной ДНК или чаще плазмиды).

У некоторых микроорганизмов в процессе конъюгации большую роль играют F-пили. Клетки, выполняющие роль донора, называют F+ (F - фактор фертильности), реципиента – F-.

Явление коньюгации открыто в 1946 году Ледербергом и Тейтумом, которые проводили эксперименты с мутантами кишечной палочки E.coli. Теоретически вероятность мутации генов, приводящей к способности синтезировать 4 аминокислоты была равна 10^-14, а в опыте получали частоту 10^-6. Было установлено, что необходимым элементом рекомбинации служит прямой контакт родительских клеток, т.е. конъюгация. В дальнейшем это было подтверждено с помощью электронной микроскопии.

Биологическое значение конъюгации стало ясно после внедрения в практику антибиотиков. Устойчивость к антибиотикам, приобретенная даже одной выжившей клеткой, способна быстро распространяться среди других бактерий путем конъюгации.

Изменчивость может касаться разных свойств микроорганизмов (формы изменчивости):

• морфологических - например, меняется форма клетки (плеоморфизм);

• культуральных - на плотных питательных средах некоторые микроорганизмы могут образовывать колонии разной формы, например:

• S-формы с гладкими, ровными краями, прозрачные;

• R – формы шероховатые, непрозрачные со складчатой поверхностью и ворсинчатым краем;

• М-форма – слизистая; у патогенных наиболее болезнетворной (вирулентной) является S-форма;

• биологических, например, болезнетворность снижается при воздействии температуры, высушивания, химических веществ, это используется для приготовления вакцин;

• отношение к антибиотикам – могут появляться устойчивые штаммы, больше всего таких штаммов в больницах;

• способность к синтезу ферментов, потребности в определенных факторах роста и др.

16.3. Селекция микроорганизмов

Цель селекции – отбор организмов с улучшенными промышленно-ценными свойствами.

Микроорганизмы как объекты селекции имеют ряд особенностей:

• быстрая смена поколений, следовательно, ученые имеют больше возможностей для отбора;

• большое количество генотипически однородного материала также расширяют возможности науки, но выделение отдельных изменившихся клеток - очень трудоемкий процесс;

• отсутствует половое размножение, поэтому не применимы известные методы селекции высших организмов (скрещивание, гибридизация).

Этапы селекции:

1. Выбор объекта. Для селекции используют микроорганизмы из коллекционных (музейных) культур, известные промышленные продуценты, выделенные из природных субстратов с учетом того, что хотим получить. Крупные коллекции микроорганизмов: NCDO (National Collection of Dairy Organisms), VKPM (ВКПМ – Всероссийская коллекция промышленных микроорганизмов), ATCC (American Type Culture Collection)

2. Мутагенез (индуцированный с помощью физических или химических факторов) или рекомбиногенез – слияние клеток (у эукариот), генная инженерия, конъюгация, трансформация, трансдукция.

4. Отбор – естественный (например, выдерживают повышенную кислотность, остаются наиболее кислотоустойчивые) или искусственный (ряд специальных методов, основанных на знании биохимии и физиологии)

5. Стабилизация свойств полученных штаммов.

6. Консервация (в замороженном состоянии, в песке, под слоем масла и др.)

Цель генетической инженерии: получить организмы с улучшенными или принципиально новыми свойствами. Значимые результаты были получены при работе с микроорганизмами. Например, в настоящее время организовано промышленное производство инсулина и интерферона, синтезируемых генетически модифицированной кишечной палочкой.

Основные этапы:

1. Получение необходимых генов путем вырезания фрагментов известного генома, с помощью биосинтез или химического синтеза.

2. Включение гена в вектор–переносчик, в качестве которого могут использоваться плазмиды, фаги, космиды (объединение фрагмента ДНК бактериофага и плазмид).

3. Ввод вектора в геном клетки-хозяина (осуществляется путем трансформации, трансдукции и др.)

4. Отбор бактерий с новым геном, закрепление новых свойств.

16.4 Структура и функции оперона – генетической системы регуляции синтеза белка у бактерий

В ДНК содержится информация обо всех ферментах, которые вообще может синтезировать данная клетка. Для исключения лишних затрат энергии в клетке должен идти синтез только тех ферментов, которые ей необходимы в данный момент времени, в определенных условиях внешней среды.

Основой регуляции процессов синтеза белка является оперон – комплекс генов, включающий:

• ген-регулятор (Р), обеспечивающий синтез белка-репрессора (РЕП);

• ген-оператор (О), управляет включением и выключением считывания информации со структурных генов, способен взаимодействовать с белком-репрессором;

• ген-промотор (П) – место прикрепления РНК-полимеразы – фермента, осуществляющего процесс транскрипции;

• структурные гены (СГ, содержат информацию о последовательности аминокислот в ферментах).

Механизм функционирования системы регуляции синтеза белка был открыт в 1962 году Жакобом и Моно при исследовании культивирования кишечной палочки в лактозной среде и назван lac-опероном.

Упрощенно этот механизм может быть описан следующим образом. На основе информации гена-регулятора синтезируется белок-репрессор; если он активный, он связывается с геном-оператором, перекрывая путь для РНК-полимеразы – процесс трансляции и последующего синтеза белка выключается (запрещается). Если появляется индуктор (например, лактоза в lac-опероне), он присоединяется с белку-репрессору, приводя его в неактивное состояние. Оператор становится активным и включает процесс считывания информации со структурных генов – разрешает трансляцию. Происходит считывание информации с ДНК, начинается синтез необходимого белка – фермента (например, β-галактозидазы в lac-опероне).

Это только один из возможных механизмов, который называется запрещающей индукцией. Существуют и другие механизмы регуляции синтеза белка: разрешающая индукция, разрешающая и запрещающая репрессия, в которых принимают участие апоиндукторы и корепрессоры.

17. Экология микроорганизмов

17.1 Функции микроорганизмов в природе

Микроорганизмы – живые существа, наиболее широко распространенные в природе и играющие огромную роль в круговороте веществ. Основными функциями микроорганизмов в природных местообитаниях являются следующие:

• минерализация, т.е. разрушение органических субстратов до СО₂, NH₃, H₂, СН₄, Н₂О;

• поставка питательных веществ (в виде метаболитов, полисахаридов) для других хемогетеротрофных микро- и макроорганизмов, т.е. участие в пищевых цепях

• модификация сложных соединений в форму, доступную для других организмов;

• выделение соединений, подавляющих активность других микроорганизмов или ограничивающих выживание и функционирование макроорганизмов.

17.2. Микрофлора почвы.

Микроорганизмы играют огромную роль в формировании почвы с древних времен и по наше время. В 1 г чернозема содержится от десятков млн. до нескольких млрд. микробных клеток. Больше всего их в поверхностных слоях почвы (10-20 см) – богаты органикой, насыщены кислородом; но обнаружены и на очень больших глубинах – до 200 м. На количество и видовое разнообразие микрофлора влияет минеральный состав почв, время года, влажность, загрязненность сточными водами и др. факторы.

Основные представители:

• цианобактерии (в основном сине-зеленые водоросли) – используют солнечную энергию для синтеза органики из СО₂ и Н₂О, в глубине могут вести себя как гетеротрофы;

• грибы - плесневых больше, чем дрожжей, в основном пенициллиновые, мукоровые и аспергилловые; любят кислые, богатые органикой почвы;

• актиномицеты (лучистые грибки, по строению клетки относятся к прокариотам, но имеют ветвящиеся формы и мицелий, напоминающий плесени) – самые активные разрушители органики, устойчивы к неблагоприятным условиям, до 30% всей микрофлора почвы;

• бактерии (гетеротрофы) – очень разнообразные, тысячи видов, обязательные звенья в цепи круговоротов азота, углерода, серы, фосфора, железа и др.; часто высеваются спорообразующие, гнилостные сапрофитные, но присутствуют и патогенные – возбудители столбняка, ботулизма, сибирской язвы.

Бактерии имеют тенденцию присутствовать в виде микроколоний на поверхности почвенных частиц или в виде суспензии в почвенном растворе в порах. Нитчатые грибы и мицелиальные формы прокариот способны расти как на почвенных частицах, так и между ними, оплетая их. Простейшие обитают в водной пленке и поедают бактерии.

О санитарном состоянии почв судят по содержанию бактерий группы кишечной палочки (БГКП, показатель загрязнения фекальными сточными водами) и термофилов. В процессе разложения органических остатков происходит смена микробных ассоциаций и самоочищение почвы (снижается БГКП, патогенных), но нужно время.

17.3 Микрофлора воды

Вода – естественная, благоприятная среда для микроорганизмы. Больше в прибрежной зоне и на поверхности, меньше – вдали от берега и на глубине. Количество зависит от содержания органических веществ (источников питания), температуры, освещенности, расположения (вблизи населенных пунктов больше) и др. факторов. Наименее загрязнены атмосферные и поземные воды, наиболее – непроточные мелкие водоемы. Микроорганизмы попадают из почвы, воздуха, со сточными водами.

Микрофлора является составной частью биоценозов, которые делятся в зависимости от глубины на:

• нейстон – организмы на поверхности воды;

• планктон – в толще воды;

• бентос – на дне.

В поверхностной зоне преобладают микроорганизмы, способные находиться во взвешенном состоянии: клетки, имеющие жгутики, простеки, прикрепительные диски, газовые вакуоли, очень маленькие размеры. Из способов метаболизма преобладают фототрофия, метилотрофия и нитрификация.

Вся толща водной массы поделена на ряд зон: подзона фотосинтеза, подзоны продукции биомассы гетеротрофных и хемолитотрофных микроорганизмов, подзона деструкции органического вещества, подзона термоклина.

В поверхностном слое ила обитают прикрепленные или скользящие микроорганизмы, относящиеся к микроаэрофилам или факультативным анаэробам, ниже располагаются анаэробы, сульфатредукторы и метаногены.

Микробиологическую загрязненность (обсеменение) воды выражают сапробностью и делят весь объем водоема на 3 зоны:

• полисапробная зона характеризуется развитием микробиоценозов в сильнозагрязненной воде, с большим количеством органических веществ, кислород быстро поглощается, создаются анаэробные условия для разложения органики с образованием метана, меркаптанов, сероводорода, вода имеет неприятный запах, в 1 мл содержится миллионы микроорганизмов, в т.ч. много кишечной палочки, возможно присутствие и патогенных;

• мезосапробная зона – органики меньше, идут процессы окисления и нитрификации, кол-во кишечной палочки меньше, в 1 мл не более 100 тыс микроорганизмов;

• олигосапробная зона – органика почти полостью минерализована, процесс очищения воды на стадии завершения, в 1 мл – десятки или сотни микроорганизмов, кишечной палочки мало.

Вода способна к естественному самоочищению под влиянием физических (оседание, солнечный свет), химических (реакции минерализации) и биологических процессов (микроорганизмы переваривают органику, затем друг друга)

Видовой состав: бактерии – автотрофы и гетеротрофы, бактериофаги, простейшие, плесневые грибы, все типы взаимоотношений (инфузория способна поглотить за 1 ч 30 тысяч бактерий, после отмирания используется бактериями), благодаря чему поддерживается равновесие биогеоценозов в гидросфере. В загрязненной воде могут быть возбудители инфекционных заболеваний.

Сточные воды предприятий пищевой промышленности образуются при мойке технологического оборудования, трубопроводов, тары, сбросе вторичного сырья. Для очистки необходимо устраивать специальные биологические станции, пруды, фильтры. Биологическая очистка основана на использовании активного ила, в состав которого входят бактерии, инфузории, нитчатые водоросли, молочнокислые и др., обеспечивающие распад всех веществ сточных вод.

Вода, используемая в производстве пищевых продуктов, должна отвечать требованиям СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».

Нормы по микробиологическим показателям воды, которая может использоваться в пищевых и биотехнологических производствах, приведены в таблице 17.1.

Таблица 17.1 – Нормы для воды питьевой из централизованной системы водоснабжения

Микробиологический показатель	Норма
Общее микробное число, КОЕ/1см3	Не более 50
Термотолерантные колиформные бактерии*	Не допускаются в 100 мл
Общие колиформные (БКГП)*	Не допускаются в 100 мл
Колифаги, число бляшкообразующих единиц (БОЕ)**	Не допускаются в 100 мл
Споры сульфитредуцирующих клостридий***	Не допускаются в 20 мл

*при определении проводится трехкратное исследование по 100 мл отобранных проб воды

**определение проводится только в системах снабжения из поверхностных источников

***определение проводится при оценке эффективности технологии обработки воды

17.4 Микрофлора воздуха

Наличие микроорганизмов в воздухе впервые доказал Пастер. В целом условия неблагоприятные. Микроорганизмы неравномерно распределены в атмосфере: больше, где пыль, грязь, темно, влажно (в воздухе помещений от нескольких тысяч до десятков тысяч клеток в 1 м³; в лесах, горах, над морями почти нет), в нижних слоях у поверхности земли, отдельные клетки высеваются и из стратосферы – пигментообразующие, устойчивые к ультрафиолетовому облучению.

Видовой состав: устойчивые к высыханию кокки, плесени, споры.

Санитарно-показательными микроорганизмами воздуха принято считать постоянных обитателей верхних дыхательных путей человека – условно патогенных стрептококков и стафилококков. Нормируется общее микробное число, количество клеток плесеней и дрожжей (могут вызывать пороки продуктов пищевой и биотехнологической промышленности). Способы очистки:

• физические (вентиляция, фильтрация, УФ – облучение);

• химические (дезинфекция, дезпрепараты должны быть безвредными для людей, не вызывать порчу оборудования, сырья и продуктов);

• комбинированные.

В пищевой и биотехнологической промышленности в воздухе производственных помещений определяют общее количество бактерий (КМА), количество дрожжей (Др) и плесеней (Пл) не реже одного раза в месяц.

Примерные микробиологические показатели оценки воздуха седиментационным методом (методом осаждения микробов на поверхность среды в чашках Петри) приведены в таблице 17.2.

Таблица 17.2 - Оценка воздуха по микробиологическим показателям

Объект анализа	Оценка
	отлично			хорошо			удовлетворительно
	Количество колоний, выросших в чашке Петри (осаждение в течение 5 мин)
	КМА	Пл	Др	КМА	Пл	Др		КМА	Пл	Др
Воздух цеховых помещений	До 20	-	-	20-50	До 5	До 5		50-70	До 5	До 5
Воздух остальных помещений	До 30	До 5	-	30-70	5-10	До 5		70-100	До 15	5-10

17.5. Микрофлора животных.

Микрофлора животных – это эволюционное приспособление, микроорганизмы постоянно живут на коже и на всех слизистых оболочках животных:

• на коже в норме на 1 см² обнаруживается около 80000 микроорганизмов, в основном кокковые формы – микрококки, стрептококки, стафилококки, сарцины, грибы, встречаются условно-патогенные и патогенные формы, вызывающие кожные, воспалительные и др. заболевания;

• в ротовой полости (очень разнообразная),

• в дыхательных путях меньше, т.к. задерживается на слизистых носа и рта;

• в желудке (относительно мало из-за бактерицидного действия желудочного сока, но обнаружены микроорганизмы, выдерживающие кислотность - хеликобактер);

• в кишечнике (в тонком – незначительное количество, только устойчивые к желчи энтерококки, кишечные и споровые палочки, в толстом – огромное количество, несколько млрд клеток в 1 г фекалий, идентифицировано около 400 видов, у грудных детей болеее 95% бифидобактерии - часть защитных систем, у взрослых – бактероиды, анаэробные стрептококки, бифидобактерии, энтерококки, кишечная палочка, лактобациллы, клостридии, палочки протея, псейдомоны и др).

Особую роль микрофлора играет у жвачных животных – в рубце молочнокислые, целлюлозоразлагающие инфузории (синтезирующие белок из неорганических соединений азота), бифидобактерии – образование аминокислот, витаминов, биологически активных веществ, защита через подавление гнилостной микрофлоры, патогенной, укрепление иммунитета.

Многие виды микроорганизмов могут оказывать как положительное, так и отрицательное действие на состояние здоровья животных и человека, бифидобактерии и лактобациллы – положительное (пробиотики). Если микробиоценозы разрушаются, развивается дисбактериоз, возникают различные болезни (особенно опасны для молодяка сельскохозяйственных животных и детей).

Руки работников пищевых и биотехнологических предприятий контролируют без предварительного предупреждения перед началом работы. Смыв с рук делают тампоном, смоченным в стерильной воде, обтирая поверхности обеих рук. В смывах не должны обнаруживаться БГКП.

17.6. Микрофлора растений

Различают микрофлору зоны корня (в том числе симбиотические азотфиксаторы – клубеньковые бактерии) и микрофлору надземной части (эпифитная) – некоторые плесени, бактерии, живут за счет выделений тканей, при хранении фруктов, овощей, зерна, муки и продуктов из них могут вызывать гниение при благоприятных условиях, и паразитирующие – приносящие вред, разрушая растение, выделяют токсины, опасные для человека (спорынья, фузариоз).

Среди представителей эпифитной микрофлоры чаще всего встречаются: неспоровые палочки Bacterium herbicola, Pseudomonas fluorescens, молочнокислые, дрожжи, плесени, спорообразующие, в т.ч. маслянокислые, целлюлозные, термофильные.

Как поверхностные, так и внутренние структуры растения могут служить средой обитания для микроорганизмов, предоставляя им пространство для роста, возможность пепемещения и распространения вместе с частями растений, защиту от внешних воздействий. Установлено, что растения могут оказывать направленное влияние на микробную ассоциацию, выделяя вещества – аттрактанты или репелленты. Полезная микрофлора, в свою очередь, способна не только обеспечивать растения соединениями фосфора и азота (прикорневые микроорганизмы), но и защищать их от фитопатогенных микроорганизмов, выделяя антимикробные вещества.

17.7 Роль микроорганизмов в круговороте веществ

Круговорот – цикл различных превращений веществ, благодаря которому их запасы в природе не истощаются и являются неисчерпаемыми. Микроорганизмы играют огромную роль в круговороте веществ.

Наиболее важное значение – круговорот азота и углерода.

Круговорот азота включает 3 основных процесса:

• усвоение атмосферного азота азотфиксирующими бактериями, 2 группы – свободноживущие (из родов Clostrudium и Azobacter) и клубеньковые, обитающие на корнях бобовых растений (Rhizobium), способны использовать атмосферный азот для синтеза белка;

• восстановление азота, включающее процессы аммонификации (разложение белка под воздействием гнилостных микроорганизмы, при полном разложении образуется аммиак, углекислый газ, вода, сероводород, при неполном – различные органические кислоты, спирт, амины, особенно энергично эти процессы протекают в верхних слоях почвы); и окисление аммиака (нитрификация) до солей азотистой (нитрозные бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira), затем азотной кислот ( нитратные бактерии Nitrobacter), которые могут усваиваться растениями;

• денитрификации – восстановление нитратов до нитритов, аммиака и молекулярного азота, роды Pseudomonas, Azobacter.

Круговорот углерода включает следующие основные этапы: атмосферный СО₂ усваивается растениями и автотрофными бактериями, образуются органические вещества, которые используются другими организмами, гетеротрофами по цепи питания.После отмирания органика разлагается при активном участии микроорганизмов-сапрофитов. Возвращение СО₂ в атмосферу происходит при окислении органики в аэробных и анаэробных условиях.