Заглянем внутрь микробной клетки

Сегодня мы рассмотрим как устроена микробная клетка. Начнем с самых верхних слоев и будем снимать, как шелуху с луковицы, один слой за другим.

Снаружи многие бактерии одеты в капсулу: она предохраняет бактерию от неблагоприятных воздействий, например от высыхания. Капсула является производной оболочки и образуется из ее наружного слизистого слоя. Этот слизистый футляр клетки иногда бывает больше, чем сама клетка. Капсула состоит из полисахаридов и мукопротеинов. Капсулу можно растворить, но бактерия останется живой и «отрастит» новую.

Следующий слой называется клеточной стенкой. Если первый слой состоит из «мертвого» вещества, то второй, так сказать, «живая кожа» бактерии. Она тоньше капсулы, плотная и упругая. При наблюдении ультратонких срезов бактериальных клеток в электронном

микроскопе было Строение бактериальной клетки

установлено, что ширина клеточной стенки равна 10–20 нм. Специальными методами удалось изолировать отдельные стенки, изучить их строение и подвергнуть химическому анализу, который показал, что в них содержится большое количество белков и жиров.

Если удалить участок клеточной стенки и проделать отверстие в клетке, содержимое ее вытечет, а пустая клеточная стенка сохранит контуры бактерии, как скорлупа яйца. Именно благодаря второму слою бактерии всегда имею постоянную форму – палочек, шариков, спиралей. Бактерий, которые могли бы менять свои очертания так же, как амебы, не существует; амебоидное движение им не свойственно.

Таким образом, клеточная стенка выполняет защитную функцию, так же она определяет постоянную, характерную для различных бактерий форму.

Многие бактерии передвигаются с помощью жгутиков. Бактериальные жгутики – это тонкие, нитевидные, извитые образования, производные цитоплазмы, довольно длинные (часто длиннее самой клетки), но чрезвычайно тонкие – около 0,02-0,04 микрона. Располагаются они на поверхности клетки у разных видов по-разному: иногда окружают венчиком всю бактерию, иногда сосредотачиваются лишь на одном ее конце. Например, у холерного вибриона всего один-единственный жгутик. Жгутики - признак, помогающий различать бактерии.

Под клеточной стенкой лежит тонкая, эластичная клеточная мембрана. Ее увидели только в электронный микроскоп, но о том, что она существует, догадывались и раньше. Дело в том, что если бактерии поместить в так называемый гипертонический раствор с концентрацией солей, значительно большей, чем в бактериальной клетке, то жидкость будет уходить из клетки в среду (под действием осмотического давления). Клеточная стенка сохранит форму бактерии – круглую или овальную, но внутри нее буден виден съежившийся комочек протоплазмы – самого тела бактерии. Между этим комочком и оболочкой клетки образуются зазоры. Такое явление может произойти только в том случае, если протоплазма одета, кроме клеточной стенки, еще одной пленкой – клеточной мембраной. В противном же случае протоплазма вытекла бы вместе с водой через клеточную стенку.

Бактерия в гипертоническом растворе

Существование клеточной мембраны, ее отличие от клеточной стенки выявляется и в опытах с образованием протопластов.

Среди веществ, разрушающих клеточные стенки многих микробов, есть так называемый лизоцим. Это фермент, который в больших количествах содержится в свежих яйцах, слюне, слезах. Вероятно, поэтому ранки на слизистой оболочке век заживают быстро и очень редко дают нагноения. Все видели, как коты после ночных драк зализывают царапины – они используют целебные свойства слюны.

Лизоцим разрушает клеточную оболочку бактерии, но не повреждает ее мембрану. Такая «полураздетая» бактерия называется протопластом. В него сразу поступает вода; он становится круглым и совершенно непохожим на исходную бактерию. Если воды поступило много, то оболочка не выдерживает, и раздувшийся протопласт лопается. Однако если подобрать соответствующее давление, то протопласт продолжает жить, и живет довольно долго. При этом он производит все необходимые для жизни вещества и даже размножается. Через некоторое время он может «отрастить» себе новую клеточную оболочку, правда, лишь в том случае, если на клетке остались кусочки старой.

Роль цитоплазматической мембраны довольно разнообразна. Ее самая главная и важная функция – поддерживать в клетке определенное осмотическое давление. Сквозь мембрану в клетку поступают вещества, служащие ей источником питания, и выделяются наружу продукты химической активности клетки. Таким образом, цитоплазматическая мембрана играет как бы роль пограничной стражи, которая пропускает внутрь клетки или высылает за ее пределы «избранные» соединения, по-видимому, активно способствуя этому обмену. У простейших, чьи клетки лишены стенок, цитоплазматическая мембрана дает возможность организму изменять форму и вбирать в себя твердые частицы пищи, как при фагоцитозе. Такой же механизм наблюдается и у белых кровяных телец, которые обезвреживают болезнетворные микробы, «поглощая» их.

Под клеточной мембраной лежит протоплазма (живое вещество), состоящая из цитоплазмы и ядра (у бактерий чаще говорят об области ядра). Уже давно было известно, что в бактериях встречаются соединения, характерные для клеточных ядер, но «морфологически дифференцированного ядра», как говорят цитологи, выявить до сих пор не удавалось. Лишь благодаря изучению ультратонких срезов, а также с помощью некоторых других методов удалось доказать присутствие в цитоплазме телец, которые не только своим химическим составом, но и иными особенностями напоминают клеточные ядра. С другой стороны, некоторые свойства отличают их от ядер, известных нам по клеткам ряда микроорганизмов, животных и растений.

Ядро – важный жизненный центр клетки. В нем представлен своего рода «планирующий орган», управляющий ее деятельностью и обеспечивающий передачу наследственных особенностей от одной генерации другой. Далее мы увидим, что ответственность за эту операцию несут молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). У всех живых организмов молекулы ДНК имеют форму двойной спирали. Однако у бактерий ДНК имеет кольцевую форму.

В клетках дрожжей и других микроорганизмов, как и в клетках растений и животных, находятся также митохондрии – своего рода энергетические станции клеток. В них протекают процессы химического преобразования веществ, благодаря которым клетка приобретает основную часть необходимой ей энергии. Впрочем, уже точно установлено, что эти процессы происходят и в клетках бактерий, хотя в них митохондрии отсутствуют.

В цитоплазме микробов содержатся образования, называемые рибосомам и, которые являются центрами синтеза белка в клетке.

Таким образом, мы видим, что в клетке как основной единице живой природы царит строгий порядок и осуществляется целесообразное разделение труда.

В цитоплазме бактерий иногда встречаются и другие образования.

Серобактерии, например, вызывают некоторые изменения в сернистых соединениях и откладывают в своих клетках серу. Известны также бактерии, способ питания которых очень напоминает процесс питания зеленых растений, или фотосинтез. Они усваивают из атмосферы углекислый газ и синтезируют сложные органические соединения. Этот синтез требует участия какого-то источника энергии. В данном случае таким источником является солнечный свет. Поэтому весь процесс и называется фотосинтезом. В клетках зеленых частей растений (листьях) находятся хлоропласты, в которых происходит процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие бактерии содержат в своих клетках образования, исполняющие ту же функцию; они называются хроматофорами. Если величина хлоропластов у зеленых растений обычно не меньше 5 мкм (как и клеток дрожжей) и они хорошо видны в световом микроскопе, то хроматофоры бактерий в этих условиях невидимы, так как они почти в 100 раз меньше хлоропластов. Но тем не менее их удалось выделить из разрушенных клеток бактерий и наблюдать в микроскопе при увеличении в 70 000 раз.

Бациллы со спорами

Интересные образования находятся в цитоплазме некоторых бактерий – это споры. Споры – округлые блестящие тельца, лежащие внутри клетки, образуются у некоторых видов бактерий на определенной стадии развития, чаще при неблагоприятных внешних условиях, например при голодании. Бактерии, образующие споры, называются бациллами. Развитие споры в клетке протекает в течение полутора часов, редко в течение суток. Вначале в клетке возникает проспора (первичная спора), в нее переходит вся ДНК клетки. Затем она покрывается плотной оболочкой и становится зрелой спорой. Бацилла образует одну спору.

Таким образом, спорообразование есть приспособление к сохранению вида, выработавшееся в процессе эволюции. Это не процесс размножения, как у грибов. Спора (покоящаяся) при благоприятных условиях (влажность, тепло) прорастает, превращаясь опять в палочку. Споры очень устойчивы к внешним воздействиям. В почве они могут сохраняться десятки лет. Сенная палочка выдерживает температуру в 100°C 3 часа.

Такая устойчивость спор затрудняет борьбу с инфекциями, вызывающими болезни у людей и животных, со спорообразующими бактериями при консервировании пищевых продуктов.

Спорообразование – это стойкий видовой признак, однако при изменении некоторых внешних условий способность спорообразования может навсегда утратиться (аспорогенные расы).

Образование спор также идет в стареющих культурах. Его можно искусственно вызвать, долгое время не пересевая бактерий на свежую питательную среду.

Клостридии

Споры могут находиться в центре клетки, ближе к одному из концов клетки (субтерминально) или же на конце палочки (терминально). У некоторых спорообразующих видов диаметр споры превышает диаметр бактериальной клетки и клетка принимает форму веретена, поэтому такие бактерии называют клостридиями (closter - веретено). К ним принадлежат, например, клостридии маслянокислого брожения. У столбнячной палочки спора шире в поперечнике, расположена на самом конце палочки и придает ей форму булавки.

Некоторые бациллы вызывают заболевания человека, животных, например: палочка сибирской язвы, которая в организме больного спор не образует, палочка столбняка, возбудитель газовой гангрены.

Избавиться от спор можно двумя способами. Иногда их убивают, кипятя все то, что соприкасается с операционным полем, под давлением в две атмосферы. Это делается в особых приборах, где поддерживается высокое давление, - в автоклавах. Можно идти и другим путем – «перехитрить» спору, дать ей превратиться в бактерию, а затем убить обычным воздействием (ведь не все же можно поместить в автоклав: есть жидкости, которые не выдерживают не только кипячения под давлением, но и простого кипячения). Такой путь называется дробной стерилизацией. Раствор, в котором хотят убить споры, выдерживают около суток при 37°C: при этой температуре большая часть бактерий растете больше лучше всего. Затем раствор прогревают при температуре 80°C. Споры, которые не успели прорасти, остаются живыми, зато бактерии погибают. Эту процедуру проделывают еще один-два раза. В конце концов, спор, способных прорасти, уже не остается.

Такой же тактики придерживаются, когда стерилизуют, то есть обеспложивают, многие пищевые продукты, например молоко. Способ многократного нагревания в данном случае называется пастеризацией, по имени Луи Пастера.