Полезные микробы участвуют в микробиологии это

Те, кто не сталкивались с изучением микроскопических организмов, редко могут представить всю биологическую насыщенность природы. Но иногда жизнь буквально заставляет вникать в подробности микромира и вести его учет. Страх инфекций, необходимость освоения новых технологий, да и простое желание узнать больше о себе и о мире обращают взгляд к основам микробиологии. Что же может современная микробиология рассказать о бактериях, вирусах и прочих невидимых глазу живых организмах?

Разнообразие микроорганизмов

Микробиология – наука с глубокими корнями и с глобальными планами на будущее. Можно сказать, что сейчас микробиология только осваивает те инструменты и методы, которые позволят в ближайшем будущем совершить биотехнологическую революцию.

Что же представляют собой эти микроскопические объекты, с которыми человечество связывает свои лучшие чаяния на будущее и почему именно микроорганизмы помогут решить ряд глобальных проблем?

1. От микроорганизмов практически полностью зависит здоровье и жизнь человека.
2. Некоторые микробы демонстрируют чудеса приспособляемости к меняющимся условиям. Изучение этих биологических методов дает материал для решения основных проблем человечества.
3. Микроорганизмы формируют среду, в которой мы живем, и нам важно иметь хотя бы частичный контроль над процессами формирования тех или иных элементов окружающей среды.

Эти три аспекта имеют для нашей физиологии первостепенную важность. Вот почему микробиология главным образом изучает возможности поставить биологические механизмы на службу человеческому обществу.

Для понимания основ общей микробиологии следует учесть, что микроорганизмы – это не только бактерии. Представители микробов есть во всех четырех царствах живой природы (царство – таксон):

• бактерии (прокариоты) – безъядерные одноклеточные организмы;
• археи – тоже безъядерные одноклеточные организмы, но отличающиеся от прокариот и по химическому составу некоторых органоидов, и по биохимии;
• эукариоты – клетки с ядром, в это царство входят как микроорганизмы, так и высшие организмы (растения, животные), среди микроорганизмов в царстве эукариот рассматриваются одноклеточные грибы, протисты, хромисты;
• вирусы – особая форма жизни, которая не имеет собственной клетки, но обладает генетическим аппаратом, который может встраиваться в другие живые клетки, благодаря чему вирусы получают возможность размножаться.

Из перечисленных групп микробов самыми безопасными являются археи. Исследования не зафиксировали ни одного патогена для человека в составе царства архей.

Несмотря на огромное значение для жизни и здоровья человека таких микроорганизмов, как вирусы и грибы, особый интерес представляют в микробиологии именно бактерии. Они глобально влияют на работу всего нашего организма, являются его биологическим щитом и даже контролируют работу иммунной системы.

Форма и строение бактерии

Несмотря на многообразие видов, по своему строению прокариоты очень похожи. В состав бактериальной клетки обязательно входят:

• клеточная стенка;
• цитоплазматическая мембрана;
• кольцевая ДНК;
• рибосома;
• цитоплазма.

Есть бактерии, которые могут образовывать споры или капсулы. Есть те, у которых в цитоплазме находятся пигменты, например, хлорофилл. Есть подвижные, в состав которых входят жгутики и реснички, а есть неподвижные. Есть еще множество отличий по типам дыхания, форме, вырабатываемым ферментам и способам питания, но указанная пятерка органоидов обязательна для любого прокариота.

Если говорить о классификации по форме и строению, то общая микробиология допускает возможность классификации на такие основные группы:

• кокки (круглая форма);
• бациллы (форма палочки);
• извитые или спириллы (спиральная форма);
• вибрионы (форма запятой).

Кроме строения, для классификации групп микроорганизмов важно, какие колонии они могут образовывать. По форме колонии бывают диплококковые, стрептококковые, стафилококковые и т.д.

Извитые бактерии чаще всего не объединяются в стабильные колонии, а ведут обособленную жизнь.

Пигментный состав (красящие вещества) – более индивидуальное свойство каждого вида бактерий. Так, наиболее распространенными бактериальными пигментами являются:

• каротиноиды (желтые, красные);
• пирогаллоловые (красный цвет);
• пиоцианин (синий цвет).

От пигментного состава зависит цвет бактериальной клетки. Его можно различить при микроскопировании.

Еще одна важная особенность – способность образовывать споры. Спора – это видоизмененная форма бактерии, которую она принимает с целью пережить неблагоприятные времена. Спора образуется внутри клетки, заключая в себя кольцевую ДНК и минимум материала для возможности «ожить» при наступлении благоприятных времен.

Стенки споры прочны, она не боится не ультрафиолета, ни температур, ни воздействия реактивов. Спору практически невозможно уничтожить. В таком состоянии микроб может существовать не один десяток лет. Попав на питательную среду, спора сбрасывает свой защитный кокон и возрождается к новой жизни.

Окрашивание по Граму

Метод окрашивания по Граму – один из первых, благодаря которому микробиология научилась идентифицировать патогенные бактерии.

Судя по микробиологическим исследованиям, патогенными для человека являются именно грамотрицательные микробы (то есть которые не окрашиваются). Но это совершенно не значит, что если микроб грамотрицательный, он опасен для нас. Есть целый ряд микроорганизмов, которые никакого влияния на здоровье не оказывают и все-таки являются грамотрицательными.

Грамположительные же, наоборот, редко становятся возбудителями инфекционных заболеваний.

Для окончательного определения вида бактерии, которая стала причиной того или иного заболевания, необходимо проводить ряд исследований на наличие опасных ферментов и на способность микроба образовывать споры.

Исследования методом окрашивания по Граму – это главным образом определение того, как устроена клеточная стенка изучаемого штамма.

У грамотрицательных микроорганизмов клеточная стенка представляет собой несколько плотных слоев, которые сообщаются друг с другом, у грамположительных клеточная стенка – единственный, но более широкий слой липидов, который положительно реагирует на воздействие органических красителей.

Типы питания микробов

По типам питания бактерии – одни из самых разнообразных живых организмов. Питание – это способ получить энергию и углеводы из окружающей среды. Только в царстве прокариот присутствуют все нижеперечисленные типы питания:

• фототрофы (используют энергию солнечного света и в этом схожи с растениями);
• хемотрофы (используют энергию химических реакций);
• гетеротрофы (сапрофиты и паразиты, используют энергию и получают углеводы за счет органических соединений, которые уже есть в природе).

Эти процессы изучает биохимия. Основными методами биохимии являются метод микроскопирования и метод исследования ферментативной активности.

Многие виды бактерий могут изменять способ получения необходимой для жизни энергии в зависимости от условий. Например, если нет возможности получать готовые органические соединения, гетеротрофы могут стать хемотрофами, а если нет солнечного света, но есть готовые органические остатки, фототрофы могут перейти на питание готовой органикой.

Опасными для здоровья человека являются гетеротрофы. Разлагая органические остатки на простые химические соединения, эти бактерии вырабатывают такие ферменты, которые разрушают клетки органов и тканей нашего тела.

Наиболее опасны для человека бактерии, которые синтезируют протеолитические ферменты:

• расщепляющие белки – фермент коллагеназа;
• расщепляющие жиры – фермент липаза;
• расщепляющие клетки тканей – фермент гиалуронидаза (способствует распространению инфекции);
• плазмокоагулаза – фермент, который свертывает кровь.

Это далеко не весь перечень бактериальных биохимических ферментов, которые способны причинить огромный вред.

Но далеко не все бактериальные ферменты опасны для человека. Так, например, многочисленные виды молочнокислых микробов, которые входят в состав полезной микрофлоры кишечника. Эти виды бактерий вырабатывают биохимические ферменты группы каталаз, которые положительно влияют на процессы пищеварения и на общее состояние ЖКТ.

Дыхательные механизмы

Для живого организма дыхание – это возможность поддерживать внутренний метаболизм. У человека и у прочих высших животных дыхание представляет собой процесс окисления кислородом. Метаболизм многих видов бактерий также поддерживается за счет окисления, однако в отличие от всего остального живого мира это окисление у микробов не всегда осуществляется за счет кислорода.

Те бактерии, у которых дыхание – окисление кислородом, называются аэробными. Кроме аэробных, есть еще и анаэробные микроорганизмы. Анаэробы – это те, метаболизм которых поддерживается за счет окисления других химических соединений.

Есть также микроорганизмы, которые в присутствии кислорода используют механизм аэробного окисления, а в отсутствие кислорода осуществляют окисление, используя доступные химические соединения. Такие бактерии называются факультативно-анаэробными. Те, которые погибают в присутствии кислорода, называются облигатными анаэробами.

Среда, в которой могут жить бактерии

На физиологию бактерий, на их рост и размножение влияет не только химический состав окружающей среды, а также такие факторы, как:

• температура;
• кислотность;
• кислород;
• соленость.

Используя каждый из этих параметров, можно осуществлять контроль над составом микрофлоры кожи, носоглотки и слизистых половых органов, желудочно-кишечного тракта. Это позволяет удерживать в рабочем состоянии биологический щит, защищающий нас от агрессивной окружающей среды.

Так, чересчур повышенная температура тела может губительно повлиять на те молочнокислые бактерии, которые входят в состав микрофлоры ЖКТ. Не только замедлится размножение молочнокислых бацилл, но и число жизнеспособных организмов значительно уменьшится.

Как известно, молочнокислые бациллы выживают в очень небольшом температурном диапазоне, от 34 до 40 градусов по Цельсию. 40°C – верхний предел для молочнокислых. Вот почему при более высоких температурах человек становится беззащитным перед патогенами, число которых может в этот период расти, поскольку патогены не так чувствительны к перепадам температуры, как молочнокислые.

Еще одним фактором, который формирует естественную защиту, является уровень кислотности. Кислотность – основной враг опасных для человека микробов, в то время как для молочнокислых бактерий повышенная кислотность – нормальная среда обитания.

Кислород не всегда благоприятно влияет на физиологию и темпы размножения бактерий. Так, например, некоторые бактерии брожения являются факультативно-анаэробными, и кислород может мешать им переключиться на более эффективную программу жизни в бескислородных условиях.

Осуществление контроля над подачей кислорода – один из технологических процессов на некоторых биохимических производствах.

Щелочная среда сдерживает рост и размножение некоторых патогенных бактерий, поэтому для контроля размножения патогенной микрофлоры врачи рекомендуют при появлении первых симптомов заболеваний горла полоскать его содой.

Однако такие методы не всегда помогают избежать инфекционного заболевания. Если в верхние дыхательные пути попала гемофильная бацилла, то бороться с ней можно только антибиотиками. Гемофильная палочка – возбудитель гемофильной пневмонии, которая весьма распространена среди детей младшей возрастной группы (до 4 лет).

Защитная система бактерии (антигены)

Чтобы бороться с болезнетворными микроорганизмами, а также учиться у них, микробиология изучает генетику бактерий и механизмы выработки ими антигенов. Антиген – молекула, которая вырабатывается организмом в ответ на внешнее или внутреннее неблагоприятное воздействие.

Микробиология выяснила, что бактерии боятся вирусов. Поэтому каждая структурная единица имеет свой персональный антиген:

• капсульный (защищает от проникновения вирусов внутрь клетки);
• соматический (защищает строительный механизм);
• жгутиковый (защищает двигательный аппарат).

Антигены защищают бактерию не только от вирусов, но и от антибиотиков.

Приспособленческая особенность генетики бактерий такова, что они могут обмениваться друг с другом генетической информацией о том, какой антиген наиболее эффективен в борьбе с конкретным вирусом или с конкретным антибиотиком. Благодаря уникальной генетике бактерии могут очень быстро вырабатывать нужные антигены, которые блокируют разрушение бактериальной клетки вирусом или антибиотиком.

Эти особенности генетики микроорганизмов микробиология и намерена поставить на службу медицине. Ведь количество инфекций, которые окружают человека ежедневно, просто колоссально. Учет бактерии в обыкновенной ране внешних кожных покровов показывает, что в такой ране до 10⁵ стафилококков. И это при том, что стафилококки из раны могут быть довольно легко удалены путем обработки антибактериальными препаратами.

Ситуация усложняется, когда речь идет о внутренних или глубоких ранах, которые сложно полностью дезинфицировать. Через очень короткое время в такой ране создается среда, которая является благоприятной для грамотрицательных клостридий.

Клостридия – это не экзотический микроб. Они находятся повсюду, а, попав в рану, становятся причиной гангрены. Заражение раны клостридией может стать причиной ампутации конечности, а в некоторых случаях даже приводить к летальному исходу.

Микробиология – перспективная наука. Еще очень многое про микроорганизмы только предстоит узнать.