Людина, яка не стикався з вивченням мікроскопічної життя, рідко може уявити всю ту біологічну насиченість, яка супроводжує цикл життя на планеті Земля. Але іноді життя буквально змушує людину вдаватися в подробиці мікросвіту і вести його облік. Страх інфекції, необхідність освоєння нових технологій, та й просте бажання дізнатися більше про себе і про світ звертають погляд до основ мікробіології. Що ж може сучасна мікробіологія розповісти про бактеріях. віруси та інших невидимих оку живих організмах?
різноманітність мікроорганізмів
Мікробіологія - наука з глибоким корінням і з глобальними планами на майбутнє. Можна сказати, що зараз мікробіологія тільки освоює ті інструменти і методи, які дозволять людині в найближчому майбутньому зробити біотехнологічну революцію.
Що ж являють собою ці мікроскопічні об'єкти, з якими людство пов'язує свої найкращі сподівання на майбутнє і чому саме мікроорганізми допоможуть людині вирішити ряд глобальних проблем?
- Від мікроорганізмів практично повністю залежить здоров'я і життя людини.
- Деякі мікроорганізми демонструють чудеса пристосовності до мінливих умов. Вивчення цих біологічних методів дає людині матеріал для вирішення основних проблем людства.
- Мікроорганізми формують середовище, в якому живе людина, і людині важливо мати хоча б частковий контроль над процесами формування тих чи інших елементів навколишнього середовища.
Ці три аспекти мають для фізіології людини першорядну важливість. Ось чому мікробіологія головним чином вивчає можливості поставити біологічні механізми на службу людському суспільству.
Для розуміння основ загальної мікробіології слід врахувати, що мікроорганізми - це не тільки бактерії. Представники мікробів є у всіх чотири царства живої природи (царство - таксон):
- бактерії - без'ядерні одноклітинні організми;
- археї - теж без'ядерні одноклітинні організми, але відрізняються від бактерій і за хімічним складом деяких органоїдів, і по біохімії;
- еукаріоти - клітки з ядром, в це царство входять як мікроорганізми, так і вищі організми (рослини, тварини), серед мікроорганізмів в царстві еукаріот розглядаються одноклітинні гриби, Найпростіші, хромистого;
- віруси - особлива форма життя, яка не має власної клітини, але володіє генетичним апаратом, який може вбудовуватися в інші живі клітини, завдяки чому віруси отримують можливість розмножуватися.
З перерахованих груп мікробів найбезпечнішими для людини є археї. Дослідження не зафіксували жодного патогена для людини в складі царства архей.
Однак ця обставина не зменшує ту небезпеку, яку несуть в собі для людини бактерії, віруси і гриби.
Незважаючи на величезне значення для життя і здоров'я людини таких мікроорганізмів, як віруси і гриби, особливий інтерес представляють для мікробіології саме бактерії, оскільки вони глобально впливають на роботу всього організму людини, є його біологічним щитом і контролюють роботу імунної системи людини.
Форма і будова бактерії
Незважаючи на різноманіття видів, за своєю будовою бактерії дуже схожі. До складу бактеріальної клітини обов'язково входять:
- клітинна стінка;
- цитоплазматическая мембрана;
- кільцева ДНК;
- рибосома;
- цитоплазма.
Є бактерії, які можуть утворювати спори або капсули. Є ті, у яких в цитоплазмі знаходяться пігменти, наприклад, хлорофіл. Є рухливі, до складу яких входять джгутики і війки, а є нерухомі. Є ще безліч відмінностей за типами дихання, формі, що виробляється ферментам і способами харчування, але зазначена п'ятірка органоїдів обов'язкове для будь-якої бактерії.
Якщо говорити про класифікацію бактерій за формою і будовою, то загальна мікробіологія допускає можливість класифікації на такі основні групи:
- коки (кругла форма);
- бацили (форма палички);
- покручені або спірили (спіральна форма);
- вібріони (форма коми).
Крім будови однієї бактерії, для класифікації груп мікроорганізмів важливо, які колонії вони можуть утворювати. За формою колонії бувають диплококковой, стрептококові, стафілококові і т.д.
Покручені бактерії частіше за все не об'єднуються в стабільні колонії, а ведуть відокремлену життя.
Пігментний склад (фарбувальні речовини) більш індивідуальне властивість кожного виду бактерій. Так, найбільш поширеними пігментами бактерій є:
- пігменти каротиноїди (жовті, червоні);
- пірогаллоловие пігменти (червоний колір);
- пігмент піоціанін (синій колір).
Від пігментного складу залежить колір бактерій. його можна розрізнити при мікроскопірованіі.
Ще одна важлива особливість бактерій - суперечки. Суперечка - це видозмінена форма бактерії, яку остання приймає з метою пережити несприятливі часи. Суперечки утворюється усередині бактерії, укладаючи в себе кільцеву ДНК і мінімум матеріалу для можливості «ожити» при настанні сприятливих часів.
Стінки суперечки міцні. Сторін не боїться не ультрафіолету, ні температур, ні впливу реактивів. Безперечно практично неможливо знищити. У стані суперечки бактерія може існувати жоден десяток років. Потрапивши на живильне середовище, суперечки скидає свій захисний кокон і відроджується до нового життя.
Фарбування по Граму
Фарбування по Граму - один з перших методів, завдяки якому мікробіологи навчилися ідентифікувати патогенні бактерії.
Судячи з мікробіологічними дослідженнями, патогенними для людини є саме грамнегативні мікроби. Але це зовсім не означає, що якщо мікроб грамнегативний, значить, він небезпечний для людини. Є цілий ряд мікроорганізмів, які ніякого відношення до здоров'я людини не мають і все-таки є грамнегативними.
Грампозитивні ж, навпаки, рідко можуть ставати збудниками інфекційних захворювань.
Для остаточного визначення виду бактерії, яка стала причиною того чи іншого захворювання, необхідно проводити ряд досліджень на наявність небезпечних для людини ферментів і на здатність мікроба утворювати спори.
Дослідження бактерій методом фарбування по Граму - це головним чином визначення того, як влаштована клітинна стінка досліджуваного штаму бактерій.
У грамнегативнихмікроорганізмів клітинна стінка є кілька щільних шарів, які повідомляються один з одним, у грампозитивних клітинна стінка - єдиний, але більш широкий шар ліпідів, який позитивно реагує на вплив органічних барвників.
Типи харчування мікробів
За типами харчування бактерії - одні з найрізноманітніших живих організмів.
Харчування для організмів - це спосіб отримати енергію і вуглеводи з навколишнього середовища. Тільки в царстві бактерій присутні всі перелічені нижче типи харчування:
- фототрофи (використовують енергію сонячного світла і в цьому схожі з рослинами);
- хемотрофи (використовують енергію хімічних реакцій);
- гетеротрофи (сапрофіти і паразити, використовують енергію та отримують вуглеводи за рахунок органічних сполук, що вже є в природі).
Ці процеси життя бактерій вивчає біохімія. Основними методами біохімії є метод микроскопирования і метод дослідження ферментативної активності.
Слід пояснити, що багато видів бактерій можуть змінювати спосіб отримання необхідної для життя енергії в залежності від умов.
Наприклад, якщо немає можливості отримувати готові органічні сполуки, гетеротрофи можуть стати хемотрофов, а якщо немає сонячного світла, але є готові органічні залишки, фототрофи можуть перейти на харчування готової органікою.
Небезпечними для здоров'я людини є гетеротрофи. Розкладаючи органічні залишки на прості хімічні сполуки, ці бактерії виробляють такі ферменти, які руйнують клітини органів і тканин організму людини.
Найбільш небезпечні для людини бактерії, які синтезують протеолітичні ферменти:
- розщеплюють білки - фермент коллагеназа;
- розщеплюють жири - фермент ліпаза;
- розщеплюють клітини тканин - фермент гіалуронідаза (сприяє поширенню інфекції);
- плазмокоагулаза - фермент, який згортає кров.
Це далеко не весь перелік вироблюваних бактеріями біохімічних ферментів, які здатні завдати величезної шкоди людині.
Але далеко не всі бактеріальні ферменти небезпечні для людини. Так, наприклад, численні види молочнокислих бактерій, які входять до складу корисної мікрофлори кишечника людини. Ці види бактерій виробляють біохімічні ферменти групи каталаз, які позитивно впливають на процеси травлення і на загальний стан шлунково-кишкового тракту.
дихальні механізми
Для живого організму дихання - це можливість підтримувати внутрішній метаболізм. У людини і у інших вищих тварин дихання являє собою процес окислення киснем. Метаболізм багатьох видів бактерії також підтримується за рахунок окислення, однак на відміну від усього іншого живого світу це окислення у мікробів не завжди здійснюється за рахунок кисню.
Ті бактерії, у яких дихання - окислення киснем, називаються аеробними.
Крім аеробних, є ще і анаеробні мікроорганізми. Анаероби - це бактерії, метаболізм яких підтримується за рахунок окислення інших хімічних сполук.
Є також мікроорганізми, які в присутності кисню використовують механізм аеробного окислення, а під час відсутності кисню здійснюють окислення, використовуючи доступні хімічні сполуки. Такі бактерії називаються факультативно-анаеробними.
Ті бактерії, які гинуть в присутності кисню, - облігатні мікроорганізми.
Середовище, в якому можуть жити бактерії
На фізіологію бактерій, на їх зростання і розмноження впливає не тільки хімічний склад навколишнього середовища, а також такі фактори, як:
Використовуючи кожен з цих параметрів, можна здійснювати контроль над складом мікрофлори.
Саме на цих особливостях фізіології живого організму і ґрунтується природний контроль в природі:
- контроль над станом шлунково-кишкового тракту;
- контроль над станом шкіри;
- контроль над станом носоглотки.
Всі ці види контролю дозволяють утримувати в робочому стані біологічний щит, що захищає людину від агресивного навколишнього середовища.
Так, надто підвищена температура тіла може згубно вплинути на ті молочнокислі бактерії, які входять до складу мікрофлори шлунково-кишкового тракту. Не тільки сповільниться розмноження молочнокислих бацил, а й число життєздатних організмів значно зменшиться.
Як відомо, молочнокислі бацили виживають в дуже невеликому температурному діапазоні від 34 до 40 градусів за Цельсієм. 40ºС - верхня межа для молочнокислих. Ось чому при більш високих температурах людина стає беззахисним перед патогенами, число яких може в цей період рости, оскільки патогени не так чутливі до перепадів температури, як молочнокислі бактерії.
Ще одним фактором, який формує природний захист людини, є рівень кислотності. Кислотність - основний ворог небезпечних для людини мікробів, в той час як для молочнокислих бактерій підвищена кислотність - нормальне середовище проживання.
Кисень не завжди сприятливо впливає на фізіологію і темпи розмноження бактерій. Так, наприклад, деякі бактерії бродіння є факультативно-анаеробними, і кисень може заважати їм переключитися на більш ефективну для цього виду бактерій програму життя в безкисневих умовах.
Здійснення контролю над подачею кисню - один з технологічних процесів на деяких біохімічних виробництвах.
Лужне середовище стримує зростання і розмноження деяких патогенних бактерій, ось тому для контролю розмноження патогенної мікрофлори лікарі рекомендують при появі перших симптомів захворювань горла полоскати його содою.
Однак такі методи не завжди можуть допомогти уникнути інфекційного захворювання. Якщо в верхні дихальні шляхи потрапила гемофільна паличка, то боротися з нею можна тільки антибіотиками. Гемофільна паличка - збудник гемофільної пневмонії, яка дуже поширена серед дітей молодшої вікової групи (до 4 років).
Захисна система бактерії (антигени)
Щоб боротися з хвороботворними мікроорганізмами, а також вчитися у них, мікробіологія активно вивчає генетику бактерій і механізми вироблення ними антигенів.
Антиген - молекула, яка виробляється організмом у відповідь на зовнішнє або внутрішнє несприятливий вплив.
Кожна система бактерії має свій персональний антиген:
- капсульний антиген (захищає мікроб від проникнення вірусів всередину бактерії);
- соматический антиген (захищає будівельний механізм від вірусів);
- жгутиковий антиген (захищає руховий апарат мікроорганізму від вірусів).
Крім вірусів, антигени захищають бактерію і від антибіотиків.
Пристосовницька особливість генетики бактерій така, що вони можуть обмінюватися один з одним генетичною інформацією про те, який антиген найбільш ефективний в боротьбі з конкретним вірусом або з конкретним антибіотиком.
Так, завдяки унікальній генетиці бактерії можуть дуже швидко виробляти потрібні антигени, які блокують руйнування бактеріальної клітини вірусом або антибіотиком.
Ці особливості генетики мікроорганізмів і має намір людина поставити собі на службу.
Адже кількість інфекцій, які оточують людину щодня, просто колосально. Облік бактерії в звичайної рани зовнішніх шкірних покривів показує, що в такий рані до 10⁵ стафілококів. І це при тому, що стафілококи з рани можуть бути досить легко видалені шляхом обробки рани антибактеріальними препаратами.
Ситуація ускладнюється, коли мова йде про внутрішні або глибоких ранах, які складно повністю дезінфікувати.
Через дуже короткий час в такій рані створюється середовище, яке є сприятливим для грамнегативних клостридий.
Клостридія - це не екзотичний мікроб. Вони знаходяться всюди, а, потрапивши в рану, стають причиною гангрени. Зараження рани клостридією може стати причиною ампутації кінцівки, а в деяких випадках і причиною летального результату.