Конспект занятия Знакомство с микроорганизмами

Тема №2. Знакомство с микроорганизмами
Если бы мы смогли рассмотреть человека под микроскопом, он показался бы нам огромным, как Монблан или Чимборасо. Но мелкие бактерии при таком колоссальном увеличении выглядят не больше точки или запятой.
Ф. Кон, 1872
Omnis cellula e cellula
Поперечный срез стебля винограда
right2899410В 1665 году Роберт Гук издал свой эпохальный труд «Микрография, или некоторые физиологические описания мелких телец, сделанные при помощи увеличительных стекол…» В нем, как мы уже знаем, он описал микроскопическую структуру пробковой ткани, назвав ее ячейки, расположенные правильными рядами, клетками. Дальнейшие исследования установили поразительное сходство формы клеток у растений и животных. Оказалось, что это не пустые ячейки, а основные структурные единицы всякой живой материи. Новейшие данные биологической науки подтверждают этот важный постулат прошлого века. Старая формулировка Гарвея «Все живое – из яйца» понемногу «модернизировалась» в другую: «Каждая клетка происходит от клетки» (Omnis cellula e cellula).
Но вернемся к микроорганизмам и посмотрим, есть ли у них клетки. За исключением некоторых вирусов и бактериофагов, все микробы представляют собой одноклеточные организмы. Уже со времен Спалланцани мы знаем, что каждая микробная клетка происходит от себе подобной. Значит, и здесь можно говорить о родителях и их потомстве (в отношении бактерий принято использовать термины «материнские» и «дочерние» клетки).
Растения, животные и микроорганизмы имеют одну очень важную общую черту строения – клеточную организацию. Клетка – это наименьшая форма организованной живой материи, способная в подходящих для нее среде и условиях существовать самостоятельно.
Переходный эпителий мочевого пузыря человека
righttopНаш организм состоит из многих миллиардов клеток, объединенных в более крупные элементы – ткани. Последние составляют еще более высокие по уровню (имеется в виду строение и функция) единицы – органы, связанные в свою очередь многими сложными взаимоотношениями в одно целое – организм. В настоящее время биологам уже хорошо известно, как «приучать к самостоятельности» и некоторые клетки человеческого, животного или растительного организма.
Лактобактерии (Lactobacillus rhamnosus)
В мире микробов мы найдем множество фактов, говорящих о способности отдельных клеток выполнять основные жизненные функции: движение, обмен веществ, размножение, реакции на раздражение и пр. Если животные и растения в громадном большинстве являются многоклеточными организмами,
мир микробов представлен, как правило, одноклеточными существами. Бактерии, дрожжи, некоторые микроскопические грибы, простейшие и многие водоросли – все это одноклеточные представители мира микроорганизмов.
rightcenter
Микробиологические меры длины и веса
Астрономы измеряют огромные пространства Вселенной такой мерой длины, как световой год, подразумевая под этим расстояние, проходимое лучом света за один год. Он равен приблизительно девяти с половиной биллионам километров.
Моряки в своих плаваниях измеряют расстояния в морских милях; мы, путешествуя, используем в качестве меры длины километр, а в повседневной жизни обходимся метрами, дециметрами, сантиметрами и миллиметрами.
Но для микроорганизмов все эти меры слишком велики. Ведь бактериальная клетка средних размеров достигает в длину лишь тысячной доли миллиметра! Поэтому микробиологи применяют еще более мелкие единицы измерения: микрометр (мкм), или тысячная доля миллиметра, нанометр (нм), или миллионная доля миллиметра. При работе с электронным микроскопом используется еще более мелкая единица – ангстрем (Å), или десятимиллионная часть миллиметра. Таким образом,
1 мм = 1000 мкм = 1 000 000 нм = 10 000 000 Å.
Громадное большинство клеток бактерий имеет в среднем величину 0,5–1 мкм, клетки дрожжевых грибов или красных кровяных телец человека достигают 5–10 мкм. Поэтому-то их нельзя увидеть невооруженным глазом и долгое время они оставались скрытыми для человека, пока на помощь ему не пришел микроскоп.
Как же измерить длину такой клетки? Самый первый способ придумал еще Левенгук в 1684 году. Он подобрал несколько одинаковых песчинок, положил их одну за другой на отрезке прямой, равном ширине большого пальца, и пересчитал. А потом сравнил величину красных кровяных телец с этими песчинками. Таков был этот простой метод. С тех пор измерение при помощи микроскопа прошло путь длительного усовершенствования. Сейчас величину клеток мы измеряем под микроскопом специальными приборами; кроме того, существуют полуавтоматические и автоматические устройства для измерения не только величины, но и объема клетки!
Самые мелкие бактерии имеют в диаметре около десятой доли микрометра, но есть и такие, волокнообразные клетки которых достигают в длину нескольких сантиметров, а в ширину всего 40 мкм. Если величина клеток дрожжей, как мы уже знаем, 5–10 мкм, то волокнистые клетки других грибов достигают в длину нескольких миллиметров. Большая часть одноклеточных водорослей имеет также микроскопические размеры, хотя известны случаи, когда их длина составляет не меньше нескольких сантиметров. Вообще же можно считать, что клетки микроорганизмов – это живые существа бесконечно малых размеров. Чтобы лучше понять, сколь ничтожны эти размеры, можно представить их себе увеличенными во много раз и сравнить с видимыми предметами, увеличенными во столько же раз. Если, например, клетку бактерии величиной в полмикрометра микроскоп увеличит до размеров макового зернышка, то само зернышко, увеличенное во столько же раз, представляло бы собою «шарик» до двух метров в диаметре, а человек среднего роста при таком увеличении превратился бы в гиганта, которому Герлаховски-Штит не доходил бы до плеча.

Различные объекты в световом и электронном микроскопах.
Вполне понятно, что такие маленькие существа, как бактерии, должны быть и необычайно легкими. На один миллиграмм веса приходится 5 миллиардов бактерий. При этом такое астрономическое количество клеток занимает крохотное пространство. Если в одном кубическом сантиметре питательной среды насчитывается миллиард бактерий размером 1x5 нанометров, то указанное выше количество займет всего одну двухсотую долю этого объема!
Хаос и наведение в нем порядка
Известный современный английский физик Джон Бернал назвал XVIII век веком путешествий, коллекционирования и классификации.
Шведский ученый Карл Линней, много путешествовавший по свету и собравший гигантские коллекции, создал систему классификации минералов и животных. Но наибольшего успеха он достиг в классификации растений. Лишь «зверушкам» Левенгука он не уделил большого внимания, хотя и выделил для них в своей системе особую клеточку, объединив их всех под названием «хаос инфузорий» и отметив, что эти мельчайшие живые существа не нуждаются в дальнейшей классификации, поскольку не имеют особого значения.
Хаос в отношении места микробов в живой природе царил еще и во времена Пастера, хотя тогда уже многое было известно об их деятельности. Но в гниющем мясе, бродивших жидкостях и других объектах, в которых ученым приходилось наблюдать этот таинственный мир мельчайших существ, находилось такое фантастическое разнообразие «зверушек», что возникло даже особое понятие «плеоморфизм», означавшее безграничную изменчивость микробов.
В противовес «плеоморфистам» вокруг Коха сгруппировались ученые, твердо отстаивавшие иную точку зрения и способствовавшие своими открытиями интенсивному развитию микробиологии.
На основании работ с чистыми культурами Кох пришел к заключению, что микробы неизменны, что шарообразные бактерии всегда дадут потомство такой же шаровидной формы и принимать иной облик и превращаться в иные виды микробов они не способны. Это направление в микробиологии получило название «мономорфизма». Если немецкий плеоморфист Ханс Галлир утверждал, что более мелкие микробы, бактерии и дрожжи являются лишь низшей ступенью развития более сложных грибов и могут превращаться в них под влиянием факторов внешней среды, то мономорфисты с не меньшим упорством доказывали, что внешняя форма микробов неизменна и каждый вид имеет особое место и назначение в природе.
Дальнейшее развитие микробиологии показало справедливость взглядов мономорфистов, но кое-что из положений плеоморфистов об изменчивости микробов мы принимаем и в настоящее время. Однако победа мономорфистов была в то время важной, поскольку дала толчок к попыткам создать из «микробиотического хаоса» систему, связанную с системой всех живых организмов.
Всю живую природу натуралисты разделили на два крупных царства – растительное и животное. В каждом царстве различают несколько типов, подразделяющихся на отряды; в отрядах – несколько классов, в каждом классе содержатся порядки; последние делятся на семейства, состоящие из родов, а роды в свою очередь – на виды. Каждый вид имеет свое название, которое состоит из двух слов. Такую «бинарную номенклатуру» ввел еще Линней. Первое слово, пишущееся с заглавной буквы, представляет название рода данного организма, а второе является его видовым эпитетом (в границах рода), подобно тому как у людей фамилия означает принадлежность к той или иной семье, а имя отличает их друг от друга в кругу семьи. Бацилла туберкулеза, например, носит научное название Mycobacterium tuberculosis, дрожжи – Saccharomyces cerevisiae, бацилла столбняка – Clostridium tetani; дрозд называется Turdus musicus, сахарная свекла – Beta vulgaris.
Одни микробы напоминают своими свойствами и особенно характером питания зеленые растения, другие – животных. Таким образом, мир микроорганизмов объединяет очень разнообразных представителей. Мы относим к ним вирусы, риккетсии, бактерии, микроскопические грибы, сине-зеленые и другие микроскопические водоросли и простейшие. Часто приходится встречаться с тенденцией объединять все микроорганизмы в одно особое царство под названием Protista в отличие от царств растений (Plantae) и животных (Animalia).
Бактерии под микроскопом
Бактерии – типичные представители мира микроорганизмов. Посмотрим, что может нам рассказать о них микроскоп. С его помощью мы обнаруживаем среди бактерий шаровидные, цилиндрические, нитевидные и различным образом закрученные клетки.

Основные формы бактерий:
1 — микрококки; 2 — диплококки; 3 — стрептококки; 4 — тетракокки; 5 -сарцины; 6 — стафилококки; 7 — бациллы; 8 — бактерии; 9 — стрептобактерии; 10 — вибрионы; 11 — спириллы; 12 — спирохеты
Самые простые бактерии имеют вид правильных шариков и называются кокками. Если они соединены друг с другом по два, то их называют диплококками, по четыре – тетракокками; когда же они группируются по восемь и напоминают перевязанный веревкой крест-накрест пакетик, то носят название сарцин. В некоторых случаях кокки группируются в комочки, напоминающие гроздья винограда или длинные цепочки, и мы называем их соответственно стафилококками либо стрептококками. К коккам относятся возбудители различных инфекционных болезней.
Очень многие бактерии имеют форму палочек, например живущая в нашем организме кишечная палочка (Escherichia coli). Такую же форму имеют и другие кишечные бактерии, скажем, возбудитель тифа (Salmonella typhi) или дизентерии (Shigella dysenteriae).
Электронный микроскоп позволил нам увидеть и органы движения некоторых бактерий – тоненькие жгутики (один или целая группа), с помощью которых бактерии активно передвигаются в жидкой среде. Жгутики можно увидеть и в световом микроскопе, если применять специальный метод окрашивания. Предварительно их обрабатывают (протравливают) особым препаратом, частицы которого оседают на жгутике и делают его более толстым, а следовательно, и хорошо видимым после окраски в световом микроскопе. Кто-то сравнил протравливание и окраску бактериальных жгутиков с процедурой вымачивания объекта в меде и последующим обваливанием его в пухе.
Некоторые из бактерий-палочек в особых условиях образуют в своих клетках шаровидные или овальные тельца, называемые спорами. Эти спороносные бактерии выделяются в группу бацилл. Их споры способны переносить такие неблагоприятные жизненные условия, как длительное высушивание или высокие температуры. При нормальной температуре споры сохраняют жизнеспособность на протяжении нескольких лет; есть данные, что споры бациллы столбняка могут существовать в почве больше 30 лет.
Некоторые бактериальные клетки имеют изогнутую форму и напоминают рожок (или запятую); мы называем их вибрионами. Такую форму имеет возбудитель холеры Vibrio cholerae. Другие бактерии отличаются нитевидными, спирально закрученными клетками, это – спириллы.
К бактериям относят и своеобразную группу спирохет, которые напоминают своей формой простейших. К этой группе принадлежат возбудители некоторых инфекционных болезней, например сифилиса или желтой лихорадки. Железобактерии имеют длинные, нитевидные клетки, серобактерии отличаются большой величиной и бывают заметны и без увеличительных приборов.
У актиномицетов, живущих в почве, клетки нитевидные и разветвленные. Многие из них известны своей способностью выделять в окружающее их пространство антибиотические вещества (например, стрептомицин), используемые человеком в борьбе с болезнетворными микробами. righttop
Стрептомицеты (Streptomyces sp.)
Опасные спутники
Схожи с бактериями очень опасные микробы, называемые риккетсиями. Эти мелкие, овальной формы микроорганизмы достигают в длину 300 нм. В отличие rightcenterот бактерий они размножаются не на жидких питательных средах, а только в организме животных или в культурах ткани. Это опасные спутники людей и животных. Они вызывают серьезные инфекционные заболевания, такие, например, как сыпной тиф, уносивший в прошлом десятки тысяч жизней. Американский микробиолог Риккетсии (красный цвет)
Говард Тэйлор Риккетс и чешский паразитолог Станислав Провацек, которым мы обязаны открытием и изучением этих микробов, сами пали их жертвой в результате заражения. В их честь возбудитель сыпного тифа был назван риккетсией Провацека (Rickettsia prowazeki).
Желанные и нежеланные гости
Боровики, рыжики, мухоморы, шампиньоны и другие хорошо знакомые нам грибы имеют родственников, изучением которых также занимаются микробиологи. По форме, распространению в природе и роли в жизни человека это очень пестрая «родня».
Наиболее простые по строению представители этой группы микроорганизмов – одноклеточные дрожжи. Мы уже вспоминали о них как о давнишних помощниках человека, без которых он не имел бы ни хлеба, ни вина, ни пива, ни других спиртных напитков. Они обитают на растениях, в частности на плодах, вызывают брожение их сока при домашнем приготовлении вина. Мы знаем и о «культурных» дрожжах, специально выращиваемых в дрожжевой промышленности. Хорошо нам известные пекарские дрожжи – не что иное, как спрессованные живые клетки дрожжевых грибов.
Клетки дрожжей:
а – Saccharomyces cerevislae var. ellipsoldeus, б – S ludwigii, в – S tubiformis,
г – Hansenula anomala
Если взять кусочек пекарских дрожжей, развести его в небольшом количестве воды и каплю этой суспензии рассмотреть под микроскопом, то мы увидим, что в воде плавают овальные тельца. Это и есть клетки дрожжевых грибов. Еще Пастер доказал, что именно они вызывают спиртовое брожение. Размер одной дрожжевой клетки равен приблизительно 5 мкм. На отрезке длиной в сантиметр поместилось бы в один ряд до 2000 клеток. В кубике с сантиметровой гранью их будет находиться 2000 х 2000 х 2000.
Примером другого типа микроскопических грибов может служить «плесень» из рокфора, придающая этому сыру характерную зеленоватую окраску, запах и вкус. Поглядим, что представляет под микроскопом пятнышко зеленого вещества из этого сыра. Мы увидим сплетение нитевидных волокон с перегородками, расположенными перпендикулярно волокну и всегда на равном расстоянии друг от друга. Эти перегородки разделяют отдельные клетки, из которых состоит волокно, известное у специалистов под названием гифы. Гифы взаимно переплетаются и образуют местами подобие кисточек. На концах этой кисти часто можно увидеть небольшую цепочку шарообразных телец, постепенно отделяющихся от веточек. Эти тельца обеспечивают размножение гриба и являются конидиями. Грибы с упомянутыми формами метелочек и кисточек относятся микробиологами к роду Penicillium (penicillus – по-латыни кисточка). Полное видовое название нашего «пенициллиума» из рокфора – Penicillium roqueforti.

Микроскопические грибы из рода Penicillium размножаются шаровидными или эллипсоидными спорами (конидиями). Диаметр их около 10 мкм.
К микроскопическим грибам относят также незваных гостей наших кладовых. Незаметно, часто непонятным для нас путем, они проникают в банки с овощной икрой и вареньем или поражают разложенные на полке лимоны, обволакивая их зеленоватым налетом.
Интересно рассмотреть под микроскопом плесень на лимоне. Наш глаз увидит множество переплетенных гиф, однако мы напрасно будем искать метелочки или кисточки, как в предыдущем случае. Здесь мы найдем образования другого типа, на которых также рядами расположены мельчайшие вздутия. Иногда волокно на конце расширяется и из этого образования выходят веточки, на конце которых видны цепочки из круглых телец – конидий. Все вместе это несколько напоминает цветы подсолнечника. Микробиологи относят этот вид гриба к роду Aspergillus. Род Aspergillus и род Penicillium родственны и принадлежат к одному семейству Aspergillaceae. Если одна из конидий попадет в подходящую среду, например в открытую банку с вареньем, она прорастет. Из одной клетки-споры возникнет вскоре целое переплетение гиф, а на них – типичные кисточки или шарики, несущие следующее поколение спор.

Споры микроскопического гриба из рода Aspergillus образуются на веточках, которые вырастают из пузырьков, напоминающих миниатюрные соцветия подсолнечника
О водорослях и простейших
В мире микроорганизмов мы можем наблюдать ряд признаков, характерных и для высших организмов. Мы уже знаем, что некоторые грибы по размерам относятся к микроорганизмам, а другие видны невооруженным глазом (например, шляпочные лесные грибы). Тем не менее все грибы составляют особую и единую биологическую группу. То же относится и к водорослям. Некоторые из них являются одноклеточными организмами, видимыми только под микроскопом, другие же образуют очень крупные формы. Но связывает их всех воедино одинаковый по своей сущности процесс питания, напоминающий питание зеленых растений.
right478790Особую группу микроорганизмов составляют сине-зеленые водоросли, или цианобактерии. Одни– и довольно существенные – признаки сближают их с бактериями; другими признаками, в частности способом питания, они напоминают зеленые водоросли.
Сине-зеленые водоросли
Некоторые из этих зеленых водорослей – типичные представители одноклеточных микроорганизмов. Они населяют проточные и стоячие воды, а многие из них будут, по-видимому, иметь для человека большое значение в качестве источника дополнительной пищи и кормов. Кроме одноклеточных зеленых водорослей, нам известны также виды, живущие колониями, у которых «индивидуальные» интересы отдельных клеток подчиняются интересам целой колонии. Характерные представители таких колониальных водорослей входят в род вольвокс (Volvox). Мы уже знакомились с их описанием, данным Левенгуком в 1700 году в его письме в Лондонское королевское общество.
Не менее интересны диатомовые водоросли, имеющие прочные панцири из кремнезема самых разнообразных геометрических форм. Створки их панцирей сохраняются и после отмирания живых тканей. В течение многих тысячелетий в различных местах нашей планеты откладывались мощные слои этих мельчайших панцирей как вечные памятники давно минувших эпох.

Различные формы диатомовых водорослей
Если водоросли своим образом жизни напоминают представителей растительного мира, то простейшие стоят ближе к животным. Их клетки чрезвычайно разнообразны по форме и величине. Некоторые из них ведут самостоятельный образ жизни, другие бывают опасными паразитами и возбудителями инфекционных болезней.

Trypanosoma brucei – возбудитель сонной болезни

Задания:
Прочитайте текст.
Посмотрите фильм «Невидимая жизнь. Введение в микробиологию. 1. Вселенная микробов»
(http://vk.com/videos-64449951?z=video-64449951_167240639%2Fclub64449951).
Составьте биологический словарь из терминов, которые Вам встретились в тексте и фильме.
Выполните тест:
1.Микробиология – это наука о
2.Перечислите организмы, которые изучает микробиология.
3.Кого можно считать основоположником микробиологии как науки:
А) Декарта
Б) Пастера
В) Гука
Г) Линнея
Д) Тимирязева
4.Луи Пастер разработал меры борьбы с болезнями:
А) Оспы
Б) Бешенства
В) Холеры кур
Г) Холеры человека
Д) «гниения» вина
5.Границы в которых лежат средние размеры бактериальных клеток:
А) 0,5-1,0 мкм
Б) 0,5-2,0 мкм
В) 0,6-3,0 мкм
6. Кто впервые ввел термин «клетка»:
А) Антони ван Левенгук
Б) Роберт Гук
В) Фрэнсис Бэкон
Г) Карл Линней
7.Автор фагоцитарной теории:
А) Пастер
Б) Тимирязев
В) Мечников
Г) Линней
Д) Ивановский
8. Фагоцит - это
9. Бактериофаг – это
10. Укажите соответствия:
1) А) Микрококки
2) Б) Спириллы
3) В) Вибрионы
4) Г) Собственно бактерии
5) Д) Собственно бациллы
6) Е) Спирохеты
7) Ж) Сарцины
8) З) Диплококки
9) И) Тетракокки
10) К) Стрептококки
11) Л) Стафилококки