БВГромсв
Г В Павленко
ЭКОЛОГИЯ
БАКТЕРИЙ
ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
В. В. ГРОМОВ, Г. В. ПАВЛЕНКО
экология
БАКТЕРИЙ
Учебное пособие
Допущено Государственным комитетом
СССР по народному образованию в качест-
ве учебного пособия для студентов универ-
ситетов, обучающихся по специальности
"Микробиология"
ЛЕНИНГРАД
ИЗДАТЕЛЬСТВО .4 ЕНИН ГРАДСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1989
РспепзситЫ' каф. микробиологии ЛИ У (зав. каф. Д~р бпол.
паук Н. С. Егоров), д-р техн, наук В. П. Су
харевич (J1TH нм. Ленсовета), д-р биол. наук
,7. //. Серавин (ЛГУ).
Печатается по постановлению
Редакционно-издательского совета
Ленинградского университета
УДК 577.4->-581.5; 591.4
Громов Б. В., Павленко Г. В.
Экология бактерии: Учеб, пособие. — Л.: Издатель-
ство Ленинградского университета, 1989.	218 с.
ISBN 5-288-00225-8
Учебное пособие с грифом Минвуза СССР, основанное па
материале спецкурсов «Почвенная микробиология» и «Экология
микроорганизмов», дополняет курс почвенной микробиологии для
почвоведов. Оно не дублирует имеющиеся учебники и моногра-
фии. В нем рассматриваются закономерности формирования бак-
териальных ценозов, структура видовых популяций бактерий,
различные типы адаптаций и стратегий в борьбе за существова-
ние, вопросы молекулярной экологии.
Для студентов биологических факультетов. Бнблиогр. 76 паэв.
Ил. 47. Табл. 9.
1905000000—И 7Й. 00
076(02)—89
Учебное издание
Громов Борис Васильевич
Павленко Галина Васильевна
Экология бактерий
Редактор Г. И. Пескова. Обложка художника 7’. Г. Каипщкой. Художест-
венный редактор О. В. Угнич. Технический редактор А. В. Борщева.
Корректоры К. Я. Герловина, Г. Н. Гуляева.
ИБ № 3064
Сдано в набор 02.01.89. Подписано в печагь 07.07.89.	М-33817. Форм.-т >50/90'.и.
Бумага тип. №2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. но. л. 15,5.
Уел. кр.-отт. 15,75. Уч.-изд. л. 16,9. Тираж 5168 зкз. Заказ М 164. Цена 55 коп.
Издательство ЛГУ. 199034, Ленинград. Университетская наб., 7 9.
Типография Изд-ва ЛГУ. 199034. Ленинград, Университетская паб., 7 9.
ISBN 5-288-00225-8
Издательство
Ленинградского
университета
1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
Термин «экология» образован двумя греческими словами:
oikos — дом и logos — наука. Нашим общим домом является
биосфера. Таким образом, экология — это всеобщая наука о
биосфере, которая в настоящее время приобрела особое значе-
ние. Биологические аспекты экологии отражены в многочислен-
ных монографиях и учебниках. Общие вопросы рассмотрены в
книге «Основы общей экологии» Р. Риклефса (М., 1979), Наи-
более полным и авторитетным руководством по экологии явля-
ются монографии К). Одума «Основы экологии» (М., 1975) и
«Экология», Т. 1 и 2 (М., 1986). Современная экология немыс-
лима без разработки математических моделей, чему уделено
много внимания в учебном пособии В. Д. Федорова и Т. Г. Гиль-
манова «Экология» (М., 1980). Наше руководство пи в коей ме-
ре не дублирует содержание упомянутых книг. Авторы ограни-
чили свою задачу рассмотрением ряда вопросов, связанных с
биологией прокариот. Чтобы охарактеризовать круг этих воп-
росов, уместно привести определение экологии, данное еще в
1866 г. основателем этой науки, знаменитым учеником и после-
дователем Чарльза Дарвина Эрнстом Геккелем: «Под экологи-
ей мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике при-
роды: изучение всей совокупности взаимоотношений животного
с окружающей его средой, как органической, так и неорганиче-
ской, и прежде всего — сто дружественных или враждебных от-
ношений с теми животными и растениями, с которыми он, пря-
мо или косвенно, вступает в контакт. Одним словом, экология —
это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин
называет «условиями, порождающими борьбу за существование».
Необходимое уточнение состоит в том, что нашим объектом яв-
ляются не животные, а бактерии.
В последнее время экология бактерий переживает весьма
важный и в значительной степени переломный этап своего раз-
3
вития. Успехи генетики и молекулярной биологии, одним из ос-
новных объектов которых являются бактерии, привели к выяв-
лению весьма своеобразных, совершенных, а иногда и весьма
сложных молекулярных механизмов, лежащих в основе взаимо-
действия бактериальной клетки с окружающей средой и не
связанных непосредственно с процессами питания или энерге-
тического метаболизма. Так, еще сравнительно недавно каза-
лось очевидным, что под действием повышенной температуры
происходит денатурация белка, ускоряются процессы распада
различных метаболитов и от скорости этих процессов будет за-
висеть судьба организма, так же как при действии окислителей
происходит окисление жизненно важных метаболитов, степень
которого и определяет судьбу клетки. Как теперь очевидно, в
этих и многих других случаях кроме упомянутых процессов, ко-
торые, конечно, имеют место, в некоторых определенных преде-
лах интенсивности неблагоприятного фактора включаются ре-
гуляторные системы клетки, действующие на уровне генома, ап-
парата белкового синтеза н т. д., способствующие сохра-
нению жизнеспособности организма в новых и неблагоприятных
для него условиях среды. Многие вопросы такого рода пока не
находят отражения в традиционных спецкурсах и учебных по-
собиях. Между тем все чаще можно встретить термин «молеку-
лярная экология», отражающий важную тенденцию в современ-
ной биологии — давно желанную интеграцию классических на-
правлений и подходов с подходами, использующими самые со-
временные методы экспериментальной науки, В частности, дан-
ные молекулярной биологии и генетики позволяют понять тон-
кие механизмы адаптаций организмов к тем или иным факто-
рам среды их обитания. В то же время нельзя не учитывать и
то обстоятельство, что экология является наукой теоретической,
обобщения имеют первостепенное значение для ее развития. Для
того чтобы лучше понять современные тенденции развития этой
науки, крайне важен исторический подход. Поэтому не случай-
но мы начинаем с краткого изложения некоторых аспектов ис-
тории развития экологии бактерий.
Авторы признательны чл.-кор. АН СССР Е. Н. Кондратьевой,
док-ру биол. наук Т. В. Аристовской и канд. биол, наук А. В. Пи-
невичу, просмотревшим рукопись, за сделанные ценные заме-
чания.
Г Л Л В А 1
ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БАКТЕРИОЛОГИИ
§ 1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭКОЛОГИИ БАКТЕРИЙ
В развитии бактериологии можно наметить ряд этапов, ко-
торые характеризовались обостренным интересом к тем или
иным аспектам экологии бактерий. Как известно, бактерии бы-
ли открыты А. Левенгуком более 300 лет тому назад. Некото-
рые формы описывались как характерные для определенных
условии обитания. Однако развитие микробиологии в тот пери-
од шло очень медленно. Только во второй половине прошлого
века началось активное обсуждение вопроса о существовании
видов бактерии, приуроченных к определенным условиям оби-
тания и способных осуществлять определенные процессы.
Общая экология возникла на базе дарвинизма как развитие
представлений о видах и их эволюции и рассматривает виды
как самостоятельные единицы и как элементы тех или иных
сообществ. Без признания реальности существования видов у
бактерий говорить об их экологии было бы бессмысленно.
Еще в первой половине прошлого века широкой популярно-
стью пользовалась теория самопроизвольного зарождения мик-
роорганизмов, что, разумеется, совершенно исключало возмож-
ность их изучения как представителей определенных видов с
преемственностью свойств. В результате работ Л. Пастера пос-
ле 1862 года мысль о возможности постоянного самозарождения
микробов из органического вещества была оставлена. В 1861 г.
Л. Пастер открыл «жизнь без воздуха» и описал Vibrion buty-
rigue— первую анаэробную бактерию, возбудителя маслянокис-
лого брожения. Это значительно расширило границы, в которых
жизнь была признана возможной, и явилось одним из доказа-
тельств существования специализированных форм бактерий. Од-
нако в этот же период получило развитие учение о плеоморфиз-
ме микробов, согласно которому все бактерии образуют один
или лишь несколько видов и, несмотря на различия формы и
физиологии, могут взаимно переходить друг в друга. Особенно
активизировались плеоморфисты в семидесятые годы прошлого
столетия, противопоставляя свои взгляды выводам научной мик-
робиологии, бурное развитие которой происходило именно в это
5
время. К плеоморфистам принадлежали и некоторые крупные
ученые. Так, Дж. Листером была сделана попытка доказать,
что все известные формы бактерий представляют собой один
организм Bacterium lactis, а австрийский хирург Бильрот ут-
верждал, что все болезни вызывает Coccubacteria septica. Тогда
же известный ботаник Карл фон Пегели считал, что среди бак-
терий нс существует даже двух разных форм. Влиятельным про-
тивником идеи плеоморфизма был ботаник Ф. Кон, развивав-
ший представления о мономорфизме; по его мнению, у бакте-
рий существуют морфологически стабильные формы, которые
могут быть отнесены к различным родам и видам. Однако
Ф. Кон разрабатывал ботанические подходы к изучению бакте-
рий. В области экспериментальной бактериологии основная роль
в борьбе с идеями плеоморфизма принадлежала Л. Пастеру,
открывшему специфичность возбудителей брожений, и Р. Коху,
доказавшему строгую специфичность возбудителя болезней.
Большое значение имели также исследования С. II. Виноград-
ского, показавшие отсутствие плеоморфизма у серобактерий.
Сергей Николаевич Виноградский (1856— 1953)—основа-
тель экологии бактерий. Особое значение для выяснения роли
отдельных форм бактерий в осуществлении тех или иных эта-
пов круговорота элементов в природе имел разработанный им
метод элективных культур, представления о котором были сфор-
мулированы им в 1895 г. С. Н. Виноградский писал: «Культура
является элективной, когда она представляет благоприятные ус-
ловия для проявления максимально ограниченной функции. Чем
более узкими, в своем роде исключительными, будут такие ус-
ловия, тем благоприятнее окажутся они для обладающего дан-
ной функцией вида, который получит возможность развиваться
за счет посторонних микробов, так как для последних жизнь в
подобной среде станет затруднительной...» (1961, с. 344). На-
пример, для выявления азотфиксирующих бактерий применяет-
ся среда без соединений азота, для выделения нитрификато-
ров — среда с солями аммония или нитратами как единствен-
ным источником энергии, для выделения целлюлозоразлагаю-
щих микроорганизмов — среда с целлюлозой как единственным
источником углерода и т. п. Использование метода элективных
культур позволило микробиологам выявить многообразие форм
бактерий со специфическими функциями, что в конечном итоге
сделало возможным создание целостного представления о про-
цессах круговорота веществ в природе. Теперь очевидно, что с
помощью метода элективных культур можно выделить не столь-
ко отдельные чистые культуры со специфическими свойствами,
сколько сообщества микроорганизмов, функционально связан-
ных друг с другом. В последнее время изучение таких сооб-
ществ, и прежде всего механизмов взаимодействия их компо-
нентов, является одним из интенсивно разрабатываемых на-
правлений микробиологических исследований.
6
Решающее значение для становления экологии бактерий на-
ряду с работами С. II. Виноградского имели исследования гол-
ландского микробиолога М. Бейеринка (1851 — 1931), открыв-
шего Azotobacter, получившего и исследовавшего чистые куль-
туры клубеньковых бактерий, тионовых бактерий, изучавшего
бактериальную денитрификацию и сульфатредукцию.
Уже в конце прошлого века наметился ряд направлений ис-
следований в области экологической бактериологии. Выдели-
лись почвенная, пресноводная и морская микробиологии, на-
правления, связанные с изучением взаимоотношений микроор-
ганизмов и т. д. К сожалению, .нередко эти дисциплины разви-
вались без необходимых контактов друг с другом; медицинская
и санитарная микробиология развивалась независимо от общей
микробиологии, а последняя нередко совершенно игнорировала
результаты, полученные в медико-биологических исследованиях.
Это отчасти оправдывалось различиями в методических подхо-
дах разных наук. В настоящее время наблюдается тенденция к
интеграции отдельных дисциплин прежде всего па базе дости-
жений молекулярной биологии и генетики.
Основы генетики бактерий были заложены в 1943 г. работа-
ми М. Дельбрюка и С. Лурия. Вскоре выяснилось, что механиз-
мы генетического переноса у бактерий совершенно иные, чем
при половом процессе у животных и растений. Развитие генети-
ки бактерий создало предпосылки для исследования структуры
бактериальных видов п популяций, а также адаптационных ме-
ханизмов у бактерий.
В начале 50-х годов стало очевидно, что ряд важных
свойств бактерий определяется не хромосомными генами, но ге-
нами, собранными в самостоятельные молекулы ДНК, которые,
по предложению Д. Лсдсрберга, стали называть плазмидами.
Были открыты факторы плодовитости бактерий и плазмиды, де-
терминирующие множественную трансмиссивную устойчивость
к лекарственным препаратам. В дальнейшем были обнаружены
классы плазмид, обусловливающих образование токсинов, адге-
зинов, устойчивость к ионам тяжелых металлов, способность к
деградации ряда нсприродиых соединений, синтезируемых че-
ловеком, и некоторые другие признаки. Изучение бактериаль-
ных плазмид позволило наметить пути для экспериментального
выяснения молекулярных основ ряда приспособлений бактерий,
а также закономерностей изменения структуры их популяций,
§ 2. РАЗВИТИЕ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИИ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БАКТЕРИОЛОГИИ
ПОЧВЕННАЯ Ml 1КРОГЛ 10.10111Я
Особенно большое значение для развития основных положе-
ний экологии бактерий имели работы в области почвенной мик-
робиологии. Возникновение почвенниой микробиологии связано
с работами С. Н. Виноградского. Открытие С. Н. Виноградским
специализированных форм бактерий позволило связать их дея-
тельность с теми или иными процессами трансформации ве-
ществ, идущими в почве. С. Н. Виноградский сформулировал
представление об автохтонной микрофлоре почвы, куда входят
постоянные ее обитатели, использующие гумусовые вещества
почвы, и зимогенной микрофлоре, представленной быстро раз-
вивающимися микроорганизмами, использующими попадающий
в почву легко доступный субстрат.
Наконец, С. II. Виноградским был разработан метод прямо-
го микроскопического исследования микроорганизмов почвы.
Возможность непосредственного наблюдения организмов в их
естественной среде представляет для эколога очевидную прив-
лекательность. Предложенный С. II. Виноградским метод пря-
мого учета почвенных бактерий используется и в наши дни.
В 1930 г. киевским микробиологом Николаем Григорьевичем
Холодным для исследования почвенных микроорганизмов в их
естественных ассоциациях был предложен метод стекол обра-
стания. Суть метода сводится к микроскопическому наблюде-
нию зафиксированных и окрашенных микробных обрастаний,
образующихся на предметных стеклах, помещенных в почву на
разные сроки. Этот метод приобрел популярность благодаря его
простоте и наглядности и в тридцатые годы широко применял-
ся в различных исследованиях, но затем интерес к нему сни-
зился.
Более совершенным оказался метод, основанный на исполь-
зовании плоскопараллельных капилляров, техника изготовле-
ния которых была разработана в лаборатории Бориса Василье-
вича Перфильева (1891 — 1969). Капиллярные приборы — пе-
доскопы, были предложены для исследований микрофлоры поч-
вы в 1961 г. Д. Р. Габе. В последующие годы этот метод с
успехом был использован I. В. Аристовской. В педоскопах ка-
пилляры с каналами прямоугольной формы, иногда содержащие
те или иные вещества — приманки, выдерживают в почве, и за-
тем микрообрастания микросконируют прижизненно или после
фиксации и окраски. Микрообрастания, развивающиеся в кана-
лах капилляров, хорошо защищены от механических поврежде-
ний, загрязнения почвенными частицами, в них сохраняются
подвижные формы. При использовании педоскоиов были обна-
ружены, а затем исследованы и описаны новые для науки бак-
терии, в том числе виды родов Seliberia и Pedomicrobium.
Широкое внедрение в микробиологическую практику мето-
дов электронной микроскопии позволило Д. И. Никитину и дру-
гим московским микробиологам в начале 60-х годов осущест-
вить прямое электронно-микроскопическое наблюдение почвен-
ных бактерий. В составе микрофлоры почвы были выявлены
бактерии необычной морфологии, а также субмикроскоиическис
(невидимые в световом микроскопе) формы микроорганизмов.
Число клеток бактерий, выявляемых электронно-микроскопиче-
ским методом, оказалось значительно больше, чем при прямом
микроскопировании почвы в световом микроскопе.
В связи с огромным разнообразием эколого-географических
условий, в которых формируются почвы нашей обширной стра-
ны, уже на заре развития почвенной микробиологии возникло
естественное стремление русских ученых выяснить специфику
микрофлоры различных их типов, найти связь между свойст-
вами почвы и составом населяющих ее бактерий.
Еще в 1909 г. С. Л. Северин занимался сравнительным изу-
чением микроорганизмов почв о-ва Ямал и средней полосы Рос-
сии. Используя метод посева на твердые питательные среды, он
не смог обнаружить существенных отличий между микроорга-
низмами взятых для исследования иочв. Большая эксперимен-
тальная работа по изучению микрофлоры различных почв была
проведена под руководством С. П. Костычсва в 20-е годы, в
40-е годы эти исследования были продолжены и развиты
И. М. Лазаревым, который предложил схему структуры «био-
органоминерального комплекса» различных почв, основанную
на анализе содержания в почве представителей различных фи-
зиологических групп микроорганизмов. В работах такого рода
проводят учет па более или менее избирательных средах пред-
ставителей аммонификаторов, денитрификаторов, питрификато-
ров, микроорганизмов, разлагающих клетчатку, и т. д. При этом
систематическая принадлежность соответствующих возбудите-
лей остается неизвестной. Подобный подход был принят в ра-
ботах школ С. Ваксмана в США, Ж. Потопа во Франции и
других ученых, особенно в период с 40-х по 60-е годы. Опубли-
кованы результаты огромного количества исследований по оп-
ределению численности представителей разных физиологических
групп бактерий в почвах различных типов, а также в зависимо-
сти от сезона года, степени окультуренностп почвы и т. д. К
сожалению, сколько-нибудь крупных обобщений из данных та-
кого рода сделать не удалось. В 40-е годы широкий интерес
привлекла концепция В. Р. Вильямса. В. Р. Вильяме считал, что
микрофлора почв под разными растительными формациями
принципиально различна, и высказал ряд соображении о приро-
де подобных различий. Экспериментальных подтверждений
представления В. Р. Вильямса, однако, не получили.
В настоящее время очевидно, что в любой почве происходят
в принципе сходные процессы трансформации веществ, поэтому
всегда присутствуют представители разных физиологических
групп бактерий. Различия могут касаться их систематического
состава пли отношения к тем или иным факторам среды.
В 40-е годы в исследованиях лаборатории канадского уче-
ного А. Лочхеда в основу экологической классификации почвен-
ных бактерий были положены их потребности в тех или иных
комплексах питательных субстратов. Оказалось, что плодород-
9
иые почвы от более бедных отличаются сравнительно меньшим
содержанием микроорганизмов, способных развиваться на про-
стых синтетических питательных средах, и сравнительно боль-
шим количеством требовательных организмов, т. е. растущих
только на сложных средах, содержащих аминокислоты, витами-
ны и другие соединения, в том числе неустановленной природы.
Эти исследования в дальнейшем развития не получили. Пище-
вые потребности бактерий обычно прямо не связаны с типом
их обмена и особенностями биологии. Очень многие бактерии
нуждаются в тех или иных факторах роста, но в естественной
среде обитания они, видимо, бывают обеспечены ими благодаря
симбиотическим взаимоотношениям между компонентами бак-
териальных сообществ.
Исследования эколого-географической изменчивости почвен-
ных бактерий были предприняты в 30 — 40-е годы Евгением Ни-
колаевичем Мишустиным. Результаты были обобщены им в мо-
нографии «Эколого-географическая изменчивость почвенных
бактерий», опубликованной в 1947 г. Им, в частности, было по-
казано. что почвенная бактерия Bacillus mycoides обнаружива-
ет адаптивную реакцию к изменению температурных условий
среды. У культур, выделенных из окрестностей Архангельска,
температурный оптимум варьирует от 26 до 28°С, а оптимальная
температура для культур, выделенных из почв Средней Азии,
около 38°C. Значения оптимальной и максимальной температу-
ры находятся в зависимости от температурных показателей кли-
мата.
Культуры В. mycoides различного географического проис-
хождения различаются нс только отношением к температуре.
Так, внутриклеточное осмотическое давление оказывается выше
у южных штаммов, чем у северных. Позже температурная адап-
тация бактерий рода Clostridium в почвах разных климатиче-
ских зон была показана В. Т. Емцевым. Он же установил, что
группы доминантных видов Clostridium различны в почвах раз-
ных климатических зон: сахаролитические виды преобладают в
северных, а протеолитические — в южных почвах.
Кардинальные температурные точки, прежде всего опти-
мальная и максимальная для роста температура, у всех изучен-
ных видов Clostridium заметно сдвигались по мере перехода от
холодных климатических зон к теплым. Температурный опти-
мум для культур Cl. pasteurianum, выделенных из северных
почв, составлял приблизительно 23°C, а максимум около 36°С.
Культуры из почв южной зоны имели температурный оптимум
около 30°C, а максимум — около 45°C. Аналогичные закономер-
ности были обнаружены и у других представителей почвенной
микрофлоры, хотя ине у всех. Например, не удалось наблюдать
адаптаций к температурным особенностям климата у штаммов
Bacillus mesenlericus, В. megalerium, Лго1оЬас1ег chroococcum,
JO
у некоторых актиномицетов. Необходимость дальнейших иссле-
дований в этом направлении очевидна.
Развитию почвенной микробиологии в пашей стране в зна-
чительной степени способствовали работы Д. М. Новогрудского
(1898—1953). Ему принадлежит оригинальная монография
«Почвенная микробиология», вышедшая в Алма-Ате в 1956 г.,
которая представляет интерес и для современного исследова-
теля.
В 1953 г. на почвенном отделении биолого-почвенного фа-
культета МГУ была создана кафедра биологии почв, которую
возглавил один из ведущих советских микробиологов Николай
Александрович Красильников (1896—1973). Здесь получили
интенсивное развитие исследования систематики и биологии
почвенных актиномицетов, образования микроорганизмами ан-
тибиотиков, взаимоотношений микроорганизмов с растениями.
Многие научные направления, возникшие в пашей стране бла-
годаря инициативе Н. А. Красильникова, развиваются и в наши
дни. В настоящее время на этой кафедре под руководством
Д. Г. Звягинцева ведется разработка общих принципов эколо-
гии почвенных микроорганизмов. Рассмотрены различные стра-
тегии существования почвенных бактерий — форм, усваиваю-
щих легкодоступные субстраты, содержащиеся в высокой кон-
центрации, и форм, приспособленных к медленному росту в бед-
ной среде. Сформулированы концепции пула микроорганизмов
почвы и почвы как множества сред обитания микроорганизмов.
Эти вопросы будут рассмотрены нами в дальнейшем.
Экологическое направление в почвенной микробиологии с
момента своего возникновения было тесно связано с интереса-
ми сельского хозяйства. Начало систематическому изучению
проблем сельскохозяйственной микробиологии в нашей стране
было положено в 1891 г., когда в Петербурге была создана
Временная бактериологическая лаборатория при Департаменте
земледелия и Государственных имуществ. Основная задача ла-
боратории заключалась в разработке бактериологических мето-
дов борьбы с. вредными насекомыми и грызунами. В 1923 г. на
базе Бактериологической лаборатории был организован Отдел
сельскохозяйственной микробиологии при Государственном ин-
ституте опытной агрономии, который в 1930 г. был преобразо-
ван во Всесоюзный научно-исследовательский институт сельско-
хозяйственной микробиологии при Всесоюзной академии сель-
скохозяйственных наук им. В. И. Лепина. Первым директором,
института стал академик Сергей Павлович Костычсв (1877 —
1931). В разные голы в институте работали и другие известные
ученые: академики Б. Л. Исаченко, Е. II. Мишустин, Г. А. Пад-
соп, И. И. Самойлов. В настоящее время институт является на-
учно-исследовательским центром сельскохозяйственной микро-
биологии в СССР. Особое внимание здесь уделяется изучению
микробиологических процессов в почвах в условиях интенсифи-
и
канин сельскохозяйственного производства. Исследуется роль
микроорганизмов в азотном витании растений, антропогенные
влияния на микрофлору почвы и значения почвенных микроор-
ганизмов для разрушения ксенобиотиков. Ведутся поиски про-
дуцентов биологически активных соединений среди микроорга-
низмов и разрабатываются методы их практического использо-
вания. Усовершенствуются биологические методы борьбы с
вредителями сельского хозяйства.
МИКРОБИОЛОГИЯ ПРЕСНЫХ ВОДОЕМОВ
Начало исследованиям экологии пресноводных бактерий было
положено работами А. Клейбера, который в 1894 г. провел мик-
робиологический анализ воды Цюрихского озера и описал 42
штамма водных бактерий. В 1902 г. А. Пфенннгср, используя
метод желатиновых пластинок, обнаружил неравномерность
распределения бактерий в воде в различных участках озера и
н разные сезоны года. В 20-е — 30-е годы нашего столетия по-
явились работы, в которых было показано, что прямым микро-
скопическим учетом удается обнаружить иногда в тысячу раз
больше клеток бактерий, чем с помощью посева на питательные
с реды.
Особенно интенсивно изучение микрофлоры пресноводных
водоемов в пашей стране было развернуто после окончания Ве-
ликой Отечественной войны в Институте микробиологии АН
СССР в Москве под руководством Сергея Ивановича Кузнецова
(1900— 1987), во Всесоюзном научно-исследовательском инсти-
туте охраны рыбного хозяйства в Ленинграде, в Институте био-
логии внутренних вод (пос. Борок). Проведенные исследования
позволили сформулировать основные представления о законо-
мерностях распространения и роли в круговороте веществ раз-
личных групп бактерий. Особенно тщательно изучалась микро-
флора пресноводных озер. Оригинальные исследования железо-
бактерий, около клеток которых происходит отложение окислов
железа и марганца, проведены Г. А. Дубининой. Высказано
предположение, что в основе окисления восстановительных сое-
динений железа и марганца у железобактерий, развивающихся
в нейтральных средах, лежит перекисный механизм, обуслов-
ленный действием образующейся в процессе обмена перекиси
водорода и не связанный с энергетическим метаболизмом. Ус-
тановлена также гетеротрофная природа представителей ряда
видов железобактерий, относимых ранее к автотрофам. Физио-
логическая роль окисления соединений железа и марганца зак-
лючается в детоксикации образующейся перекиси водорода. Бы-
ла подтверждена биогенная природа железо-марганцевых кон-
креций, образующихся в осадках озер.
Важный компонент водной микрофлоры составляют фото-
12
трофныс бактерии. Общепризнано, что фототрофные прокарио-
ты играли решающую роль в эволюции биосферы Земли. Изу-
чение экологии фототрофов имеет большое значение для разви-
тия экологической бактериологии.
Пурпурные бактерии были открыты уже в начале прошлого
века X. Эренбергом, исследовавшим бактериальные налеты на
поверхности ила загрязненного водоема около Иены. В 1887 г.
С. Н. Виноградский установил, что они окисляют сероводород
до серы и серной кислоты. Представитель зеленых бактерий
Chlorobiutn limicola был описан в 1906 г. одним из создателей
отечественной микробиологии Георгием Адамовичем Надсоном
(1868—1940). Однако особенности физиологии пурпурных и
зеленых бактерий долгое время оставались загадочными. Лишь
в 30-е годы нашего века благодаря работам голландского иссле-
дователя К. ван Пиля была обнаружена специфика их анокси-
генного фотосинтеза.
Прокариотные организмы, осуществляющие оксигенный фо-
тосинтез,—цианобактерии, или синезеленыс водоросли, в тече-
ние долгого времени были в основном объектами ботанической
систематики, хотя еще в 1875 г. Ф. Кон объединил их с извест-
ными тогда бактериями в группу растений — дробянок — Schi-
zophytae. Проведенные ботаниками систематические и флори-
стические исследования показали удивительную приспособляе-
мость этих организмов к разнообразным условиям среды, их
повсеместное распространение в природе. В область интересов
экспериментальной бактериологии эти организмы были включе-
ны главным образом благодаря работам Р. Станиера (1916 —
1982).
В наши дни исследования фототрофных прокариот интенсив-
но ведутся во многих лабораториях мира. Широкой известно-
стью пользуются работы ученого из ФРГ П. Пфбннига, отечест-
венных исследователей Е. Н. Кондратьевой, В. М. Горленко и
др. Обнаружено большое физиологическое разнообразие пред-
ставителей различных групп фототрофов, выявлен комплекс ус-
ловий, благоприятных для преимущественного развития опреде-
ленных видов в природных экосистемах, получены количествен-
ные данные, позволяющие оценить роль фототрофных бактерий в
процессах круговорота углерода и серы в водоемах разного ти-
па. В последние годы значительно углубились наши знания о
разнообразии форм фототрофных бактерий, описаны новые ро-
да и виды, в том числе имеющие необычную морфологию, на-
пример снабженные простеками, нитчатые ползающие. Дости-
жения отечественной микробиологии в области изучения мик-
рофлоры пресных водоемов нашли отражение в получивших
широкое признание у нас и за рубежом монографиях С. И. Куз-
нецова «Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность»
(1970), В. М. Горленко, Г. А. Дубининой и С. И. Кузнецова
«Экология водных микроорганизмов» (1977).
13
МОРСКАЯ МИКРОБ! 10,10ГИЯ
Интерес человека к обитателям моря традиционен. В конщ
прошлого века стало известно, что бактерии развиваются и е
морской воде. Однако оказалось в некотором роде сенсацион-
ным открытие, сделанное в 1884 г. французским микробиологом,
М. Серте, участником биологической экспедиции на судне «Та-
лисман» в Атлантический океан. Он обнаружил, что бактерии,
минерализующие органические вещества, присутствуют не толь-
ко в поверхностных слоях воды, но и на глубине в несколько
тысяч метров. Большую роль в развитии морской микробиоло-
гии сыграли исследования немецкого микробиолога Б. Фишера,
участника экспедиций, организованных знаменитым географом
и натуралистом А. Гумбольдтом. В конце 80-х годов прошлого
века Б. Фишер установил, что прибрежные районы морей бога-
че бактериями, чем воды открытого океана, и что наибольшее
число бактерий обитает на глубинах 200 — 400 м. Он обнару-
жил также, что для развития многих морских форм бактерий
необходимо присутствие в среде соли.
Особое значение для развития морской микробиологии в на-
чале нашего века имели работы Бориса Лаврентьевича Исачен-
ко (1871— 1948)—одного из создателей морской микробиоло-
гии. В 1906 г. он принимал участие в экспедиции в Баренцево
море и в Северный Ледовитый оксан. Им впервые были полу-
чены данные о развитии бактерий, относящихся к различным
физиологнчским группам, в морской воде и осадках. Б. Л. Иса-
ченко пришел к выводу о разносторонней геохимической дея-
тельности морских микроорганизмов. Его монография «Микро-
биологические исследования Северного Ледовитого оксана»
(1914) получила всемирное признание. В 20-е — 40-е годы
Б. Л. Исаченко исследует микрофлору Черного, Мраморного,
Азовского, Карского морей и моря Лаптевых. При изучении
морских осадков в районе впадения в Карское море Енисея и
Оби им было показано, что по месту нахождения на дне моря
спор В. mycoid.es можно определить районы проникновения
пресных вод в оксан, поскольку эта бактерия типична только
для микрофлоры почвы и попадает в море с речной водой.
Г. А. Надсоном проведены исследования зеленых и бесцвет-
ных серобактерий в Баренцевом, Балтийском, Черном и Кас-
пийском морях. Ряд его работ посвящен изучению физиологии1
светящихся бактерий.
В 1930- 1939 годы в Морском научном институте (ныне
Всесоюзный НИИ рыбного хозяйства и океанографии) бакте-
риологической лабораторией заведывал Владимир Степанович
Буткевич (1872—1942), принимавший участие в нескольких
экспедициях в Баренцево, Каспийское и Азовское моря. Он ус-
тановил, что на границе Гольфстрима в Северном Ледовитом
океане значительно возрастает численность микроорганизмов.
14
В. С. Буткевич исследовал роль бактерий в процессах денитри-
фикации в морс, в отложении жсле.зо-маргаицсвых конкреций, в
пищевых цепях морских организмов. Им предложен микробио-
логический метод разведки газов и нефти.
В 1933 г. микробиологическая лаборатория организуется па
Севастопольской биологической станции (ныне Институт био-
логии южных морей АН УССР). Благодаря работам сотрудни-
ков этой лаборатории стали известны закономерности распрост-
ранения микроорганизмов в морях Средиземноморского бассей-
на, Атлантического и Индийского океанов, изучена роль микро-
организмов в продукционных процессах. В 4()-е годы начинают-
ся микробиологические исследования на базе Мурманской био-
логической станции (ныне Мурманской морской биологический
институт Карельского филиала АП СССР). Главное внимание
здесь уделяется микробиологическим процессам в зоне прилив-
но-отливных вод.
В 1950 г. в Институте микробиологии АН СССР в Москве
был организован отдел морской микробиологии, который воз-
главил Анатолий Евсеевич Крисс (1908—1984). Основное на-
правление работ этого отдела было посвящено изучению эко-
лого-географического распределения бактерий в океанах. Уста-
новлена индикаторная роль бактерий в обнаружении течений,
рассчитана биомасса и продукция бактерий в открытых районах
океана, исследована микрофлора воды в районе Северного По-
люса и в антарктических морях, проведено изучение действия
высокого гидростатического давления на бактериальную клетку-
Основные результаты этих работ изложены в монографиях
А. Е. Крисса «Морская микробиология (глубоководная)»
(1959), «Микробное население Мирового океана (видовой сос-
тав, географическое распространение)» (1964), «Жизненные
процессы и гидростатическое давление» (1973), «Микробиологи-
ческая океанография» (1976).
Большое значение развитию исследований в области мор-
ской микробиологии придают во многих странах, имеющих вы-
ход к морям.
Во Франции исследования микробиологии моря сосредоточе-
ны в Марселе, где изучаются систематика морских микроор-
ганизмов, их взаимоотношения с водорослями и беспозвоночны-
ми, их роль в процессах самоочищения моря и т. д.
В ФРГ центр по исследованию морских организмов органи-
зован в Киле, в Великобритании — в Плимуте и в Шотландии.
В США микробиологические исследования моря были нача-
ты в Скриппсовском институте в Ла Холле (Калифорния) и в
Вудс Холе (Массачусетс). Особенно большой вклад в развитие
морской микробиологии был внесен работами К. Зобелла, в
1946 г. опубликовавшего книгу, ставшую классическим руковод-
ством по морской микробиологии.
В Японии при Токийском университете в 1966 г. создан от-
J5
дел морской микробиологии, который возглавил проф. Н. Тага
Микробиологические лаборатории созданы в Японии во всея
крупных университетах и институтах при центрах марикультурь
во многих префектурах.
В последние годы интерес к морской микробиологии резкг
возрос в связи с сенсационными находками жизни бактерий t
глубоководных горячих источниках на дне океана и открытие.^
явлений симбиоза морских животных с хемоавтотрофными бак
тер иям и.
ГЕОМИКРОБ! ЮЛОГИЯ
Геомикробиология является одним из разделов экологиче-
ской микробиологии. В ее задачи входит выяснение роли мик-
роорганизмов в процессах миграции, рассеяния и накопления
химических элементов в биосфере. Геомикробиология теснс
смыкается с другими разделами экологической микробиоло-
гии— водной и почвенной. Однако основной предмет геомикро-
биологии— это та роль, которую микроорганизмы играют в
круговороте химических элементов и соединений в горных по-
родах и подземных водах. Возникновение гсомикробиологии
стало возможным после открытия С. Н. Виноградским и М. Бей-
еринком бактерий, участвующих в определенных этапах круго-
ворота азота, серы, железа.
Прогресс отечественной геомикробиологии в первой полови-'
не нашего столетия связан с именами Г. А. Падсона, Б. Л. Иса-
ченко, Л. И. Рубенчика и ряда других ученых. В послевоенный
период интенсивная работа в этом направлении началась в Ин-
ституте микробиологии АН СССР. Обширный материал, полу-
ченный в ходе этих исследований, был обобщен в монографиях
М. В. Иванова «Роль микробиологических процессов в генезисе
месторождений самородной серы» (1964); Г. И. Каравайко,
С. И. Кузнецова, А. И. Голомзика «Роль микроорганизмов в
выщелачивании металлов из руд» (1972); Г. А. Заварзина «Ли-
тотрофные микроорганизмы» (1972).
В 1972 г. Н. II. Ляликова сообщила об открытии автотроф-
ного организма с новым типом энергетического метаболизма —
Stibiobacter—бактерии, источником энергии для которой слу-
жит окисление трехвалентной сурьмы до высших окислов. В
70-е годы под руководством М. В. Иванова были проведены
исследования активности бактерий в осадках озер, морей и
океанов, причем для оценки активности бактерий были исполь-
зованы радиоизотопные методы. Принципиальный интерес пред-
ставляет собой установленный факт активного развития бакте-
рий в глубоких слоях осадков, даже па глубине нескольких мет-
ров от поверхности ила. Широко распространены в осадках
метанобразующие архебактерии и сульфатредуцирующие бак-^
16
терпи. Последние, как оказалось, играют весьма значительную
роль в минерализации органического вещества в биосфере.
Начиная с 50-х годов исследования в области геологической
микробиологии ведутся в Институте микробиологии и вирусо-
логии АН Казахской ССР в Алма-Ате. Здесь исследовано взаи-
модействие бактерий с минералами, содержащими медь, цинк,
свинец, мышьяк, и с ионами этих элементов, открыты автотроф-
ные бактерии, окисляющие мышьяк. Результаты исследований
обобщены в монографии А. Н. Илялетдинова «Микробиологи-
ческие превращения металлов» (1984).
§ 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ БАКТЕРИЙ
С ДРУГИМИ ОРГАНИЗМАМИ
БАКТЕРИИ II ДРУГИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ
Исследование взаимоотношений между организмами в сооб-
ществах является важнейшим направлением экологии. Период
бурного развития бактериологии в конце прошлого — начале
нынешнего столетий совпал с периодом формирования основных
направлений дарвинизма и развитием эволюционной теории.
Однако в течение длительного времени бактериологи не уделя-
ли внимания общебиологическим проблемам, а эволюционисты
игнорировали существование царства бактерий. Это объясняет-
ся главным образом тем, что при изучении взаимодействия по-
пуляций организмов необходимо знать их генетические особен-
ности, а генетика бактерий возникла только недавно.
Существенное общебиологнческое значение приобрели вы-
полненные в ЗО-е годы работы советского микробиолога Геор-
гия Францевича Гаузе (1910— 1986), опубликовавшего в 1934г.
монографию «Борьба за существование». Эта книга стала клас-
сической. Им же был сформулирован один из важнейших зако-
нов экологии — закон Гаузе, или принцип конкурентного исклю-
чения. Этот закон утверждает, что два вида не могут устойчи-
во существовать в ограниченном пространстве, если рост чис-
ленности обоих лимитирован одним и тем же жизненно важным
ресурсом, количество и (или) доступность которого ограничены.
Впоследствии эта формулировка была несколько расширена в
том отношении, что речь может идти не только о питательных
ресурсах, но и о любых других факторах среды, лимитирующих
развитие организмов. Поэтому принцип Гаузе иногда формули-
руют следующим образом: два вида не могут сосуществовать,
если они занимают одну экологическую нишу. Г. Ф. Гаузе в
опытах с простейшими показал, как происходит конкурентное
исключение одного вида другим и как, изменяя условия опыта,
можно изменить исход этой борьбы. При этом Г. Ф. Гаузе широ-
ко использовал математические модели динамики численности
двух популяций, конкурирующих за один и тот же пищевой ре-
2 Заказ № 161
17
суре, предложенные в 1926 г. В. Волыеррой. Поэтому иногд;
говорят о принципе Вольтерры — Гаузе.
Как уже говорилось, Г. Ф. Гаузе работал с простейшими
Исследования конкурентных взаимоотношений бактериальны;
популяций были начаты значительно позже. В последние годь
регулярно появляются работы па эту тему как за рубежом, та!
и в нашей стране. Особенно интенсивно разрабатываются мате
матическне модели конкурентных взаимоотношений микроорга
низмов учеными Института биофизики СО АН СССР в Крас
ноярске.
Еще начиная с работ Л. Пастера внимание бактериологе:
привлекали явления активного угнетения одних микроорганиз
мов другими — процессы микробного антагонизма.
В 1877 г., работая со своим учеником Ж. Жубером, Л. Пас!
тер обнаружил, что сибиреязвенные бациллы развивались толь-
ко в стерильной моче, в моче, зараженной другими бактериями,
они нс могли расти; кроме того, сибиреязвенные бациллы, при-
витые чувствительному животному вместе с посторонней бакте-
рией, уже не вызывали инфекцию. В. Вабеш в 1885 г. сообща.’
о существовании молочнокислых бактерий, выделяющих веще-
ства, ингибирующие развитие других бактерий. Позже Илья
Ильич Мечников подчеркивал, что болгарская палочка дейст-
вует антагонистически на другие микробы не только нутом об-
разования молочной кислоты, но также в результате, выделена?
сю специальных веществ. В 1899 г. Р. Эммерих и Д. Лоу сооб^
щили о способности Pseudomonas руосуапеа образовывать ан-
тибиотическое вещество, они назвали его пиоцианазой. Пиоциа-
назу использовали как местный антисептик. Позже стали появ-
ляться сообщения об антибиотических веществах, продуцируе-
мых различными бактериями. Однако в течение многих лет эти
работы велись нс очень интенсивно и не приводили к практиче-
ски важным результатам.
Изучение микробного антагонизма начиная с 30-х годов яв-
ляется важным направлением в советской микробиологии.
Большинство отечественных ученых, в том числе И. А. Красиль-
ников, А. А. Имшенецкий, Г. Ф. Гаузе, Д. М. Новогрудский,
считали, что антибиотики являются оружием микроорганизмов
в борьбе за существование. Исходя из подобных представлений
Г. Ф. Гаузе создал оригинальное эколого-географическое на-
правление в изыскании продуцентов антибиотиков, позволявшее
проводить направленные поиски продуцентов новых анти-
биотиков. В то же время многие зарубежные исследователи от-
рицали биологическое значение антибиотиков для выживания
продуцентов. Так, один из зачинателей работ по изучению ан-
тибиотиков американский ученый 3. А. Ваксман отрицал роль
этих веществ в борьбе микроорганизмов за существование. Сле-
дует подчеркнуть, что эта дискуссия продолжается и в наши
дни.
1«
Кроме теоретического интереса эти работы постепенно при-
обрели и исключительно большое практическое значение. С на-
чала 40-х годов .медицина переживает эру антибиотиков, теперь
трудно представить себе жизнь человека без использования ан-
тибиотиков в тех или иных целях. Накопленные к этому време-
ни наукой сведения об антагонизме микробов были обобщены
в опубликованной в 1947 г. монографии 3. А. Ваксмана «Анта-
гонизм микробов и антибиотические вещества». Первый ориги-
нальный антибиотик грамицидин С, нашедший широкое приме-
нение в медицине, был у нас получен в 1942 г. Г. Ф. Гаузе сов-
местно с М. Г. Бражниковой. В настоящее время производство
антибиотиков является важнейшей отраслью микробиологиче-
ской промышленности.
Большое внимание ученых в наше время привлекают также
исследования тесных симбиотических взаимоотношений между
микроорганизмами, в особенности синтрофии, характерной для
многих анаэробных сообществ. Эти вопросы будут подробно
рассмотрены нами в дальнейшем.
БАКТЕРИИ И РАСТЕНИЯ
Первым наблюдал изменения в растительных тканях под
влиянием бактерий русский ученый М. С. Воронин в 1866 г. Он
подробно описал вызванное бактериями образование клубень-
ков на корнях люпина. В чистых культурах клубеньковые бак-
терии были получены только в 1888 г. М. Бейеринком. С тех пор
и до наших дней исследования симбиоза клубеньковых бакте-
рий с бобовыми растениями представляют одну из наиболее
интенсивно разрабатываемых областей общей микробиологии.
Зачинателем исследований бактерий, паразитирующих на
растениях, фитоиатогенных бактерий, явился американский уче-
ный Эрвин Смит, опубликовавший в 1895 г. крупную работу о
бактериальном увядании тыквенных. В дальнейшем появились
серии работ Э. Смита и его учеников, посвященные бактериаль-
ным болезням растений, а в 1920г. Э. Смитом была опублико-
вана первая монография о бактериозах растений. Имя Эрвина
Смита увековечено в названии рода бактерий, включающего
много фитопатогеиных видов, Erwinia.
В русской бактериологии первая работа, посвященная фито-
патогенным бактериям, была опубликована в 1889 г. Г. А. Над-
соном, а в начале нашего века специалистом в этой области
И. Л. Сербиновым впервые было проведено систематическое
изучение бактериальных болезней растений в России. В 1935 г.
появилась большая монография А. А. Ячсвского «Бактериозы
растений».
Широкий круг вопросов, связанных с изучением характера
взаимоотношений разнообразных почвенных микроорганизмов с
высшими растениями, был исследован Н. А. Красильниковым.
2*
19
Результаты многолетней работы были обобщены им в 1958 г
монографии «Микроорганизмы почвы и высшие растения».
В послевоенный период исследования фитопатогенных б<
терий в нашей стране велись под руководством М. В. Горлен]
В. П. Израильского. В наши дни одним из центров по изу>
нию фитопатогенных бактерий является Институт микробио.’
гни и вирусологии им. Д. К. Заболотного АН УССР в 1\иев(
БАКТЕРИИ И ЖИВОТНЫЕ
болсзн
бурно
Открытие бактерий — возбудителей инфекционных
в конце прошлого столетия дало мощный толчок
развитию микробиологии как медицинской, так и вете.
История развития медицинской микробиологии описана в мн
гочисленных научных и научно-популярных изданиях. В после,
ние годы большое внимание уделяется изучению болезнетво
ных бактерий. В медицинской бактериологии под экологическ
ми исследованиями обычно понимают изучение механизмов, п
помощи которых патогенный вид выживает в природе.
Менее интенсивно велись исследования симбиотических св
зей бактерий с животными. Тем не менее постепенно накапл
вались данные, свидетельствующие о широком распространен
бактерий-симбионтов животных — прежде всего простейших
членистоногих.
В конце прошлого века многие исследователи наблюдал
бактериоподобные образования — бактероиды, находящиеся
клетках определенных частей тела некоторых насекомых. О'
сутствие адекватных методов изучения и представлений о во
можных формах симбиозов такого рода не позволило пршп
тогда к окончательному выводу о бактериальной природе эти
тел, и их часто рассматривали в качестве продуктов жи.знеде>
тельности насекомого. Однако еще в 1887 г. немецкий исслсдс
ватель Ф. Блохманн описал бактериоподобные тела в клетка
жирового тела и в ооцитах таракана. Он предположил, что эт
симбиотические бактерии, приносящие пользу хозяину. Боле
убедительно бактериальная природа этих тел была доказана
1906 г. работами Л. Мерциера. Вскоре, в 1909 г., итальянски
зоолог Л. Петри опубликовал подробное описание развити
бактерий-симбионтов в организме масличной мухи Dact
oleae Gmel., а начиная с 1910—1911 г. были развернуты фу1
даментальные исследования симбионтов насекомых группо
итальянских исследователей под руководством У. Пьераптон
и немецким ученым П. Бухнером, монография которого, издан
пая в 1960 г. на английском языке, до сих пор остается основ
ной классической сводкой по данному вопросу.*
* Endosymbiosis of animals with plant microorganisms. New Y<
London: Sydney. 1960.
20
Сейчас при исследовании симбионтов членистоногих исполь-
зуют методы электронной микроскопии, что позволило выяснить
детали строения этих бактерии па разных стадиях их жизнен-
ного цикла. Вместе с тем физиологические и биохимические
свойства симбионтов насекомых еще мало понятны, поскольку
эти бактерии не растут на лабораторных питательных средах
вне организма хозяина.
В 1890 г. ученик И. И. Мечникова доктор В. М. Хавкин опи-
сал бактерии, развивающиеся в клетках инфузории парамеции.
В дальнейшем появились только отдельные сообщения о бакте-
риях-симбионтах различных простейших. Интерес к изучению
бактерий-симбионтов в последние годы заметно возрос. Так, ха-
рактерно, что в издании определителя бактерий Берги 1984 г.*
целая глава посвящена симбионтам насекомых и простейших,
тогда как в предыдущем издании 1974 г.** симбионты простей-
ших были лишь вскользь упомянуты. В Западном Берлине од-
ним из ведущих современных исследователей симбиотических
бактерий В. Швеммлером даже организовано международное
общество эидоцитобиологов, объединяющее ученых, интересую-
щихся внутриклеточными симбионтами различных организмов.
I Современный интерес к внутриклеточному симбиозу бакте-
рий в значительной степени определяется популярностью гипо-
тезы симбиогенеза, в соответствии с которой эукариотическая
клетка возникла как симбиотический комплекс, образованный
несколькими прокариотами. Эта гипотеза возникла в нашей стра-
не. Русский ботаник К. С. Мережковский (1855—1921) в
1905 г. предположил, что основные клеточные органеллы обра-
зовались путем внутриклеточного симбиоза. В 1909 г. он ввел
термин «симбиогснсз», означающий происхождение организмов
путем комбинации или соединения двух или многих существ,
вступающих в симбиоз. Ботаник А. С. Фаминцын (1835—1918)
в 1907 г. писал, что усложнение организации и функции орга-
низмов в процессе эволюции может осуществляться и благода-
ря симбиотическому соединению самостоятельных организмов.
Гипотеза симбиогенеза была выдвинута на основе умозритель-
ных соображений и сразу же была подвергнута суровой крити-
ке, также основанной на отвлеченных предположениях. Лишь
отдельные ученые относились к гипотезе симбиогенеза серьезно.
К их числу принадлежал Б. М. Козо-Полянский, опубликовав-
ший в 1924 г. книгу «Новый принцип биологии. Очерк теории
симбиогенеза», где эта идея получила дальнейшее развитие. Од-
нако только во второй половине нашего столетия в связи с раз-
витием молекулярной биологии и генетики гипотеза симбиоге-
неза приобрела множество сторонников. Было обнаружено су-
* Bergey's manual of systematic bacteriology // Eds. J. G. Holt. Balti-
more; London; Los Angeles; Sydney, 1984.
** Bergey's manual of determinative bacteriology. 8th edition // Eds,
R. E. Buchanan, N. E. Gibbons. Baltimore, 1974.
21
щественное сходство многих структурных и функциональны
макромолекулярных особенностей клеточных органелл и бак
терий. Наиболее настойчивым пропагандистом идей симбиогс
неза в наши дни является американская исследовательниц
Л. Маргелис, перевод одной из ес книг «Роль епмбиогенеза в эвс
люции клетки» был опубликован у нас в 1983 г. Но следует имет
в виду, что и сейчас идея симбиогенез?) остается гипотезой
§ 4. БАКТЕРИИ И БИОСФЕРА
Представления общей бактериологии, сформировавшие^
уже к началу нашего столетия, с очевидностью свидетельствова
ли об исключительном значении бактерий для жизни на Земле
Благодаря работам Л. Пастера, С, П. Виноградского, М. Бейе
ринка и других ученых стало ясно, что без круговорота биоген
ных элементов, который возможен только при участии бакте
рий, жизнь на Земле немыслима. Глобальная роль бактерий i
создании фундамента жизни в самом широком понимании этой
слова была, однако, оценена не бактериологами, а одним и:
выдающихся натуралистов нашего века русским ученым Вла
димиром Ивановичем Вернадским (1863—1945) в его учени!
о биосфере.
Впервые термин «биосфера» применил австрийский геоло:
Э. Зюсс (1831 — 1914). В своей монографии о геологическо!
строении Земли, изданной в 1875 г., Зюсс писал: «Одно ка
жется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер не
бесном теле, а именно — органическая жизнь... На новерхносп
материков можно выделить самостоятельную биосферу» (цит
по Лапо, 1987). Начиная с 1911 г. этим термином стал пользо
ваться В. И. Вернадский, создавший учение о биосфере. Г
1926 г. увидела свет его монография «Биосфера». По В. И. Вер
надскому, «биосфера представляет оболочку жизни — облает!
существования живого вещества» и, кроме того: «биосфера мо
жет быть рассматриваема как область земной коры, занята?
трансформаторами, переводящими космические излучения* е
действенную земную энергию — электрическую, химическую, ме-
ханическую, тепловую и т. д.». Биосфера представляет собой
высший уровень экологической интеграции. Советский геолог
А. В. Лапо в 1987 г. обобщил формулировки В. И. Вернадского
и представил основные функции живого вещества в биосфере
в следуюЕцем виде:
* Недавно были открыты бактерии, развивающиеся в глубинах океана
около геотермальных источников и использующие поступающие из недр
Земли вещества. Их жизнь обеспечивается внутренней энергией Земли и не
зависит от Солнца. Значение этого процесса для биосферы ограничено.
22
1.	Энергетическая функция заключается в поглощении сол-
нечной энергии при фотосинтезе, трансформации химической
энергии путем разложения энергонасыщенных веществ и пере-
даче энергии но пищевой цени разнородного живого вещества.
2.	Концентрационная — в избирательном накоплении в ходе
жизнедеятельности определенных видов веществ: а) использу-
емых для построения тела организма; б) удаляемых из него при
метаболизме.
3.	Деструктивная — в минерализации небиогенного органиче-
ского вещества: а) разложение неживого неорганического ве-
щества; б) вовлечение образовавшихся веществ в биологический
круговорот.
4.	Средообразующая — в преобразовании физико-химических
параметров среды (главным образом за счет небиогенного ве-
щества) .
5.	Транспортная — в переносе вещества как против градиен-
та силы тяжести, так и в горизонтальном направлении.
Из перечисленных пяти функций только последняя — тран-
спортная— относительно мало зависит от активности бактерий,
хотя косвенно, благодаря образованию летучих и других легко
подвижных продуктов, они участвуют и в этих процессах. Энер-
гетическая и концентрационная функции свойственны любым
живым организмам, а в деструктивной и средообразующей дея-
тельности бактериям принадлежит решающая роль. Таким об-
разом, бактерии способны обеспечить все функции живого вс-
щества, необходимые для существования биосферы, тогда как
существование биосферы за счет активности одних только эука-
риот, без бактерий, представляется немыслимым. Именно дея-
тельность бактерий обеспечивает замкнутость круговорота ос-
новных биогенных элементов в биосфере. Так, усреднение дан-
ных соответствующих наблюдений показало, что вещество на-
земных растении обновляется примерно за 14 лет, но в океане
вся масса живого вещества обновляется за 33 дня, а его фито-
планктон— каждый день. Однако продолжительность общепла-
нетарных циклов углерода, азота и фосфора измеряется мил-
лионами лет.
Решающая роль бактерий в реализации круговорота биоген-
ных элементов стала очевидной уже па заре развития общей
микробиологии, однако только в последние годы предпринима-
ются попытки количественной оценки глобальных эффектов
деятельности тех пли иных конкретных форм бактерий.
Биогеохимический круговорот в биосфере не является замкну-
тым. Степень воспроизводства циклов достигает в лучшем слу-
чае 90 — 98%. Этапы циклов и организмы, в них участвующие,
постоянно изменяются, т. е. биосфера представляет собой эво-
люционную систему. Как «былые биосферы» В. II. Вернадский
определял оболочку Земли, когда-либо подвергавшуюся воздей-
ствию жизни. Он считал, что земная кора захватывает в преде-
23
лах нескольких десятков километров ряд геологических оболо-
чек, которые когда-то были на поверхности Земли. При этом
нужно иметь в виду, что по существующим представлениям око-
ло 1,5 миллиарда лет, т. е. около половины периода существова-
ния жизни на Земле, в биосфере существовали только бактерии.
Они обеспечивали непрерывность и устойчивость первичной
биосферы. Примитивные бактериоценозы последовательно ocyi
ществляли все необходимые звенья первичного круговорота ве-
ществ. Предполагают, что первичные организмы обладали ма-
лым количеством нсспсцифических ферментов, имевших широ-'
кий спектр действия. Существование биосферы обеспечивалось
жизнедеятельностью сравнительно небольшого количества ви-
дов, характеризовавшихся значительной физиологической ла-
бильностью и полифункциональностыо. Только в результате
эволюции бактерий и биосферы в тот период появились предпо-
сылки для возникновения более совершенных организмов. К со-
жалению, о том, что представляли собой биосферы, населенные
©днями бактериями, практически ничего неизвестно. Некоторые
ученые, открывшие и исследовавшие в последние годы предста-
вителей архебактерий, считают, что когда-то эти организмы, в
частности метаногенные, были доминирующими обитателями
Земли. Подобная точка зрения является дискуссионной. Особый
интерес в связи с этим представляет недавно опубликованная
небольшая по объему книга Г. А. Заварзина «Бактерии и состав
атмосферы». В ней впервые дан научно обоснованный анализ
возможной эволюции некоторых прошлых бактериальных сооб-
ществ.
Существование будущих биосфер тоже немыслимо без дея-
тельности бактерий, приспособившихся соответствующим обра-
зом к изменившимся средам обитания. В наше время человече-
ская деятельность является основным фактором, определяющим
условия жизни на Земле. Есть уже немало наблюдений, свиде-
тельствующих о способности бактерий приспосабливаться и к
изменяемой человеком среде, в частности их адаптация к
нобиотикам — химическим соединениям, отсутствующим в
роде и синтезированным людьми. Кроме того, наблюдается
обретение бактериями резистентности к токсическим для
веществам, вырабатываемым промышленностью, лекарственным
препаратам или отходам производства. В условиях изменяемой
человеком биосферы мы несомненно столкнемся с новыми ас-
пектами экологии бактерий, разумный контроль условий окру-
жающей человека среды немыслим без знания экологии бакте-
рий. Ее изучение необходимо для создания биосферы нового ка-
чества— ноосферы, представления о котооой были с. оптимиз-
мом сформулированы В. И. Вернадским: «Человечество, взя-
тое в целом, становится мощной геологической силой. И перед
ним. перед его мыслью и трудом, ставится вопрос о пере-
стройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечест-
24
ксе-
при-
нри-
них
ва как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которо-
му мы, не зная этого, приближаемся, и есть ноосфера» (1965).
КОНТРОЛЬНЫЕ ИОН РОСЫ:
]. Определите научные предпосылки возникновения экологии бактерий.
2. Какова роль русской науки в возникновении и разни гни экологии бак-
терий?
3. Охарактеризуйте основные направления развития экологической мик-
робиологии.
ГЛАВА 2>
АУТЭКОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ
ОПРЕ Д Е Л Е Н 111-2 11 О Н Я Т II И * *
Аутэколшия (греч. autos — сам)—раздел экологии, изучающий действие
различных абиотических факторов среды на отдельные виды и популяции.
Различают физические и химические факторы, некоторые из них действуют
всегда, например температура, pH среды, а другие—излучения, различные
химические соединения, могут быть или отсутствовать. Значение абиотпчен
скнх факторов для жизнедеятельности разных форм неодинаково. Так, раз-
витие облигатно фототрофных бактерий зависит от освещения, для бактерий
с другим типом питания свет обычно янляс1ся фактором более или менее
случайным.
При количественной оценке действия того или иного фактора обычно
стараются установить его минимальное и максимальное значения, диапазон
между ними составляет предел толерантности организма. В отношении мно-
гих факторов можно говорить лишь об их максимальном значении. Суще-
ствуют пределы значений факторов среды, допу екающие активную жизпе-i
деятельность бактерий, и пределы, в которых организм может длительное,
время сохранять жизнеспособность, но активно не развивается. Это в первую!
очередь относится к температуре и водной активности.
Адаптация (лаг. adaptation — приспособление, прилаживание)—совокуп-
ность морфофизпологичсских, поведенческих, популяционных и других особен-
ностей данного вида, обеспечивающая возможность специфического образа
жизни в определенных условиях внешней среды. Различают общие адаптации
как приспособления к жизни в обширной зоне среды, например в морской
воде, и райе соляных озер, в воде горячих источников, и частные адаптации
как специализации к определенному образу жизни, например к использовал
пню определенных субстратов, развитию в определенных мнкрозонах и т. п.
Совокупность адаптаций придает свойствам организмов черты целесообраз-s
пости, однако совершенство любой конкретной адаптации всегда относи-?
тельпо, так как всегда возможны более совершенные адаптации. Изучение?
механизмов эволюционного развития адаптаций — одна из центральных проб-
лем биологии. В бактериологии этот вопрос еще почти совершенно не изу-i
чей. Некоторые имеющиеся на этот счет частные наблюдения описаны в раз-
деле настоящего руководства, посвященном бактериальным популяциям.
В жизнедеятельности как высших организмов, так и бактерий большую
роль могут играть явления преадаптации (лат. ргае — впереди, перед). Пре-’
адаптация — это свойство организма, имеющее приспособительную ценность
”	j
* Определения, приводимые в руководстве, в основном соответствуют !
таковым в «Биологическом энциклопедическом словаре* под ред. М. С. Ги-:
лярова. М., 198В.
26
для еще не осуществленных форм взаимодействия его со средой. Например,
способность бактериальных эндоспор выдерживать длительное кипячение, по
всей вероятности, можно рассматривать как преадаптацию, поскольку только
при столкновении с человеком подобная устойчивость оказывается спаситель-
ной. Устойчивость эндоспор к кипячению является частным элементом их об-
щей устойчивости к действию различных неблагоприятных факторов среды,
Как преадаптацию следует рассматривать также способность некоторых бак-
терий вызывать деградацию ксенобиотиков, химических соединений, синтези-
руемых человеком и ранее ис существовавших в природе.
Преадаптации в наш век, когда происходят быстрые и резкие изменения
условий обитания организмов, имеют особенно большое значение. Очевидно,
что освоение видом новой среды возможно лишь при наличии у него свойств,
возникших в прежней среде обитания, т. е. преадаптации. Преадаптации объ-
ясняются естественными причинами и обычно связаны с полифупкцнональ-
ностью структур и систем клетки, с относительностью специфичности фер-
ментов, систем транспорта и т. д.
Адаптацией называют также сам процесс выработки приспособлений ор-
ганизмов к условиям данной среды существования. В бактериологии имение
такое понимание термина традиционно. Процесс приспособления к среде
определяется регуляторными механизмами клетки или генетическими особен-
ностями популяции. Лаг-фазу па кривой роста бактериальных культур часто
определяют как фазу адаптации культуры к условиям повой питательной
среды.
Специализация (лат. specialis— особый)—развитие особых черт, обеспе-
чивающих приспособление организма к данным условиям существования. Это
может быть способность к осуществлению определенных процессов пли к раз-
витию в определенных физико-химических условиях среды. Микроорганизм
может быть узко специализирован, т. с. приспособлен к развитию в строго
определенных условиях, или специализация микроорганизма неоднозначна, к
он потенциально адаптирован к существованию в разных средах. Специали-
зация у одного и того же организма в отношении различных факторов среды
может быть неодинаковой. Так, виды Halobacterium могут развиваться толь-
ко в средах с высокой концентрацией соли, ио способны использовать аль-
тернативные источники энергии—энергию света или органического субстрата.
Все же можно говорить о различной степени специализации разных бакте-
рий. В отношении пищевого субстрата мало специализированы многие виды
Pseudomonas, использующие самые разнообразные органические вещества,
а некоторые виды могут существовать как хемоавтотрофы за счет углекис-
лоты и молекулярного водорода.
Развитие облигатных метилотрсфов, наоборот, обеспечивает только ме-
тан и немногие другие Ci-соедипештя. Строго специализировано в отношении
энергетического субстрата и окислителя большинство нитрифицирующих бак-
терий. Некоторые виды 7'hiobacilliis — тионовые бактерии — способны суще-
ствовать только за счет окисления соединений серы, т. е. являются облигат
ними хемолитоавтотрофами, по представители других видов могут перехо
дить к гетеротрофному существованию, используя энергию окисления орга-
нического субстрата. Узко специализированные бактерии характерны для мест
обитания, условия в которых стабильны, например в источниках, где состав
температура и pH воды неизменны па протяжении многих тысячелетий.
Особенностью > современных экологических исследований в области бак-
териологии является стремление к выяснению генетических н молекулярных
механизмов бактериальных адаптаций. Некоторые примеры такого рода бу-
дут приведены при обсуждении действия па бактериальные клетки ряда фак-
торов среды. Многие адаптационные механизмы бактериальной клетки на-
правлены па поддержание гомеостаза.
Гомеостаз (греч. homoios— подобный, одинаковый, stasis - неподвиж-
ность. состояние)—относительное постоянство состава и свойств внутренней
среды организма, поддержание гомеостаза зависит от способности биологи-
ческих систем противостоять изменениям внутренней среды и сохранять от-
носительное постоянство ес состава и свойств. Для бактериальной клетки
27
жизненно важное значение имеет гомеостаз величины pH, кониентраию
ионов и молекул в клетке и др., обеспечиваемые в первую очередь функцио-
нированием цитоплазматической мембраны. Энергетический гомеостаз баете
риалыюй клетки обеспечивает определенный уровень ее э”ергетичсскоге за,
ряда ЕС:
[А ГФ] 4-0.5 [АДФ]
ЕС = [АТФ] -Н [АДФНГ[ ЛМФ]'
Снижение ЕС ниже определенного уровня может привести к гибели клетки
§ 1.	ЗЕМНОЕ ТЯГОТЕНИЕ
Все организмы, живущие на Земле, находятся под действием
силы земного тяготения. Влияет ли этот фактор eia развитие
бактерий, остается неясным. В космическо-биологических иссле-
дованиях последних лет для выяснения этого вопроса были
предприняты специальные эксперименты, В частности, наблю-
дали за развитием бактерий, находящихся в условиях микро-
гравитании. Теоретически невесомость па микроорганизмы мо-
жет влиять через перераспределение внутриклеточных частиц
или в результате изменения взаимодействия между клетками
популяции в жидкой среде. Изменения величины массовых сил
может оказать заметное влияние на внутриклеточные процес-
сы только для клеток, размеры которых превышают 10 мкм. На
клетки бактерий, диаметр которых у подавляющего большин-
ства форм меньше 10 мкм, невесомость может влиять, изменяя
лишь скорость их осаждения в жидкой среде. Бактерии, плот-
ность которых несколько больше плотности воды, в водной сре-
де находятся в состоянии, близком к невесомости. Взвешенные
в водной среде бактерии все же постепенно оседают. Некоторые
аэробные бактерии, выращиваемые без перемешивания, в неве-
сомости росли лучше, видимо, благодаря меньшему оседанию
на дно сосуда. Кроме того, в условиях космического полета
наблюдалось некоторое увеличение частоты передачи поздних
маркеров при конъюгации у кишечной палочки, т. е. образовав-
шиеся пары были более стабильны. Доказательств возможности
прямого влияния силы гравитации на бактериальные клетки по-
ка пс получено. У бактерий не обнаружен геотаксис, т. е. спо-
собность различать верх и низ, которой обладают некоторые од-
ноклеточные эукариоты. Вместе с тем имеются свидетельства
способности бактерий к определенной ориентации в пространст-
ве— об этом говорит, в частности, геометрически правильная
форма плодовых тел миксобактерий, к тому же Определенным
образом ориентированных относительно подлежащего субст-
рата.
Специфика взаимодействия бактерий с окружающей средой
связана с их незначительными размерами. Бактериальная клет-
ка только примерно в 104 раз крупнее окружающих ее молекул.
Она подвергается постоянной бомбардировке молекулами в ре-
2Н
зультате их беспорядочного теплового движения, и эти удары
ощутимы. Неравномерность пространственного распределения
ударов приводит к беспорядочным перемещениям клетки каж-
дую секунду на расстояние, примерно соответствующее ее диа-
метру, и к повороту примерно на 60и. Приобретаемое клеткой
при этом ускорение в сотню раз превышает ее ускорение за
счет силы земного притяжения. Таким образом, молекулярные
взаимодействия, связанные с тепловым движением молекул,
действуют на бактерию значительно эффективнее, чем сила зем-
ного притяжения.
§ 2.	МАГНИТ НЫЕ ПОЛЯ
Все живые организмы находятся в области магнитного поля
Земли. Характер влияния магнитных полей на развитие бакте-
рий еще мало исследован. Воздействие дополнительными более
мощными полями иногда приводит к стимуляции их роста. Так.
воздействие магнитным полем напряженностью в 12-103 А/м
приводило к некоторому ускорению роста Pseudomonas aerugi-
nosa, Staphylococcus epidermidis, Halobacterium salinarium. В
магнитном поле напряженностью в 24-103 или 50-Ю3 А/м наб-
людали их угнетение. Замедление роста Micrococcus denitrifi-
-cans наблюдали при 40- 104—64-104 А/м, Staphylococcus aureus
и Serralia marcescens — при 120-104 А/м. Действие переменных
магнитных полей обычно более эффективно, чем постоянных. В
естественной среде обитания бактерий магнитные поля такой
напряженности не встречаются.
По всей видимости, магнитное поле Земли не оказывает за-
метного влияния на развитие бактерий. Однако существуют
бактерии, иногда их называют магнитобактериями, способные
регулировать направление своего движения в соответствии с
направлением силовых линий магнитного поля. Это так назы-
ваемый магнитотаксис. Магнитотаксис обнаружен у некоторых
кокков и спирилл. Культуры магнитобактерий получить трудно,
а их кокковидные формы в культурах пока вообще неизвестны.
Сравнительно подробно исследована в культуре магпитобакте-
рия A\quaspirillum magnetotacticum. Это микроаэрофильный
хемогегеротроф.
Магнитобактерии обитают в морских маршах, заболоченных
пресноводных водоемах, окислительных прудах для очистки
сточных вод, т. е. в водоемах с малоподвижной водой. Их чис-
ленность здесь иногда может быть весьма значительной. В об-
ласти действия постоянного магнита, поднесенного к пробам
воды и ила из окислительного пруда, иногда можно собрать до
106—10г клеток таких бактерий в миллилитре воды.
Клетки магнитобактерий содержат магнитосомы — кубиче-
ские или октаэдрические кристаллы магнетита. У спирилл по
длинной оси клетки расположено около 22 кристаллов с граня-
29
ми порядка 50 им длиной. В процессе деления дочерние клетк,
получают равное количество кристаллов. Содержание желез;
в клетках магпитобактсрий довольно велико, до 3,8%, тогд;
как у обычных бактерий железа содержится не более 0,025%
В слабых магнитных полях (40—8 А/м) магпитобактерш
перемещаются со скоростью до 70 мкм/с вдоль линий поля
В нашем северном полушарии бактерии плывут в сторону юж
лого полюса магнита или северного полюса Земли. В южноа
полушарии, наоборот, магнитобактсрии плывут в сторону юж
ного полюса Земли. Направление силовых линий магнитной
поля Земли таково, что в результате движения вдоль этих ли
пий бактерии в прудах и болотах оказываются у поверхпосп
ила, где много пищи и мало молекулярного кислорода.
Воздействие сильным магнитным полем приводит к измене
нию направления движения магшпобактерий. Потомки эти:
магнитобактерий, развивающиеся в обычных условиях, т. е. по;
воздействием магнитного поля Земли, сохраняют направление
движения, свойственное	~
бактерии экранированы,
щие к разным полюсам,
определен. В культуре
лишенные магнитосом и
ваются в культуре. Не трудно представить себе, что клетки, не
отягощенные столь большим количеством железа, как клетки
дикого типа, получают преимущество и размножаются быстрее
Поэтому очевидно, что в природных условиях наличие магни-
тотаксиса для бактерий жизненно необходимо и способствует
их выживанию.
Недавно обнаружено, что бактерии, обладающие магнито-
таксисом, весьма многочисленны в морях. Например, в поверх-
ностных слоях ила бассейна Санта Барбара в Тихом океане
на глубине 598 м обнаружены кокки, палочки и вибрионы, со-
держащие магпитосомы. Магнитосомы в большом количестве
накапливаются в осадках в свободном состоянии. Показано,
что биогенные магпетиты обнаруживают высокий естественный
остаточный магнетизм и являются его первоисточником
ских осадках.
бактсриям данного полушария. Еслг
в культуре появляются клетки, плыву
т. е. этот признак генетически не пред-
легко могут быть получены мутанты
магнитотаксиса. Эти мутанты накапли-
в мор
§ 3.	ИЗЛУЧЕНИЯ
ВИДНМЫП СВЕТ
Электромагнитные волны, имеющие длину 400 — 740
ответствуют видимому свету. Видимый свет в качестве
пика энергии используют фототрофныс бактерии*.
Цианобактерии осуществляют оксигенный фотосинтез, в
процессе которого выделяется молекулярный кислород. Адап-
* Пурпурные бактерии могут использовать также инфракрасное излу-
чение.
нм, со-
источ-
30
тация к разнообразным физико-химическим условиям среды,
способность к азотфиксацип, термофильность или галофиль-
иость некоторых форм определяют весьма широкое распростра-
нение цианобактерий на Земле. Oscillatoria liinnetica иногда
способна и к аноксигенному фотосинтезу с использованием в
качестве донора электронов H2S и устойчива к очень высоким
концентрациям сероводорода.
Пурпурные и зеленые бактерии осуществляют аноксигенный
фотосинтез. Он приурочен к анаэробным условиям, и большин-
ство этих бактерий строгие анаэробы, многие нуждаются в
восстановленных соединениях азота и серы. Некоторые формы
способны к аэробному дыханию, но в присутствии молекуляр-
ного кислорода не могут осуществлять фотосинтез, так как уже
в низких концентрациях молекулярный кислород репрессирует
синтез бактериохлорофиллов.
Развитие бактерий, осуществляющих аноксигенный фотосин-
тез, происходит главным образом в сильно загрязненных водо-
емах и гиполимнионе озер. Здесь содержатся соединения, спе-
цифически необходимые для аноксигенных фототрофов, — серо-
водород, молекулярный водород, простые органические вещест-
ва, образующиеся в результате брожений, которые осуществля-
ются анаэробными бактериями, обитающими в осадках.
Пурпурные и зеленые бактерии часто развиваются в водое-
мах на глубине иод слоем водорослей и цианобактерий, в кото-
ром происходит рост высших растений. Перечисленные фото-
трофы поглощают значительную часть света в областях спект-
ра, соответствующих адсорбционной способности их светособи-
рающих антенн. Светособирающис антенны аноксигенных
фототрофов имеют другие спектральные характеристики, это
позволяет им осуществлять фотосинтез за счет света, профиль-
трованного через клетки эукариот и цианобактерий (табл. 1),
Таблица 1. Основные длинноволновые максимумы поглощения света
хлорофиллами прокариот in vitro и in vivo
Систематическая группа	Тип хлорофилла
Прохлорофиты Цианобактерии Зеленые бактерии Зеленые бактерии Пурпурные бактерии Пурпурные бактерии	Хлорофилл b Хлорофилл а Бактериохлорофилл с Бактериохлорофилл d Бактериохлорофилл а Бактериохлорофилл b
Длина полны, им
Эфире	п метках
644	650
665	680 — 683
660	745
650	725
775	850- 910
790	1020-1035
Бактериохлорофиллы имеют максимумы поглощения в красной
и инфракрасной частях спектра. Этот свет не используется для
оксигенного фотосинтеза. Бактериохлорофилл b поглощает све-
товые волны, длина которых близка к максимальной, еще до-
пускающей их использование в процессе фотосинтеза. Кванты
31
более длинноволнового света несут слишком мало энергии и
могут участвовать в фотохимических реакциях. Сущсственн,
особенностью бактериохлорофиллов является также то, ч
их включение в мембранный светособирающий комплекс прив
дит к смещению максимумов поглощения в красную облас
спектра в гораздо большей степени, чем это характерно д;
хлорофилла а оксигснных фототрофов.
Некоторые виды пурпурных бактерий живут на мелковот
под слоем влажного леска толщиной в несколько сантиметре
который играет роль красного фильтра. Однако на более зн
чительную глубину в водоем красный свет не проникает. Пре
ставитсли зеленых серобактерий имеют каротиноиды, улавл
вающие световые волны длиной около 460 нм, и способны ра
виваться в водоемах на глубинах более 20 м, куда проника
свет только этой длины волны.
В конце 70-х годов были обнаружены аэробные гстеротро(
ныс бактерии, содержащие бактериохлорофилл а. Они отнесен
к нескольким родам. Представители рода Erythrobacter— ме,
кис грамотрицательныс палочки с субполярным жгутиком. Кр
ме бактериохлорофилла они синтезируют каротиноидные пи
менты. Ряд штаммов Erythrobacter выделен с поверхности мо
ских макрофитов. Для Erythrobacter свет не может быть единс
венным источником энергии ни в аэробных, ни в анаэробнь
условиях, однако используется этой бактерией в качестве д
полннтельного источника энергии. При освещении усиливает!
синтез АТФ, включение СО2 в органическое вещество клетк
наблюдается фотоингибирование дыхания, что свидетельству!
о существовании у этих бактерий регуляторных механизме
энергетического обмена, позволяющих при освещении бол
экономно расходовать органический энергетический субстра
При исчерпывании органического субстрата в условиях освещ
ния жизнеспособность клеток сохраняется значительно дольн
чем в темноте.
В противоположность тому, что наблюдается у пурпурных,
зеленых бактерий, синтез бактериохлорофилла а у Erythrobd
ter стимулируется молекулярным кислородом.
Бактериохлорофилл а содержится и в мембранах гетеро'
рофной аэробной бактерии Protaminobacter ruber, также си1
тезирующей АТФ за счет энергии света. Подобная способное
обнаружена и у некоторых штаммов бактерий из рода Pseiu.
топаз.
Энергия видимого света может быт.ь использована экстр
мально галофильными архебактериями, которые, однако, не я!
ляготся настоящими фототрофами, поскольку не могут расти, и
польз} я свет как единственный источник энергии. Экстремаль;!
галофильная архебактерия рода Halobacterium — аэробный г<
теротроф, основное количество АТФ у которой образуется в р*
зультате процесса аэробного дыхания. Halobacterium обита«
32	;
в поверхностных слоях соленых озер, заливов, лиманов, где
растворимость кислорода значительно ниже, чем в пресной или
морской воде. При истощении в среде кислорода происходит
дерепрсссия генов, ответственных за синтез хромопротеина бак-
териородопсина, который включается в состав клеточной мемб-
раны, образуя участки, обозначаемые как пурпурные мембраны.
Под действием света происходит выброс протонов во внешнюю
среду, создающийся при этом трансмембранный градиент кон-
центрации протонов используется для синтеза АТФ. В тех же
мембранах содержится второй пигмент — галородопсин, кото-
рый при поглощении фотонов осуществляет транспорт ионов
хлора в клетку, что также приводит к увеличению мембранного
потенциала. Это позволяет бактериям поддерживать жизнеспо-
собность в анаэробных условиях. Экстремально галофильные
архебактерии обитают в соленых озерах, расположенных в
районах с постоянной высокой инсоляцией.
Видимый свет влияет на поведение фототрофных бактерий.
У фототрофных эубактсрий и архебактерий Halobacterium salina-
rium наблюдается явление фототаксиса: бактерии способны
реагировать на изменение спектрального состава света или ос-
вещенности. У эубактерий фоторецепторами служат бактерио-
хлорофиллы и каротиноиды, т. и. те же пигменты, которые пог-
лощают свет в процессе фотосинтеза. У архебактерий обнару-
жены специальные сенсорные пигменты. Бактериальные клетки,
способные к фототаксису, резко изменяют направление движе-
ния, если попадают из более освещенного участка в менее ос-
вещенный или в совсем неосвещенный. В результате бактерии
двигаются к свету — это положительный фототаксис. В некото-
рых условиях наблюдается отрицательный фототаксис — движе-
ние в сторону уменьшения освещенности. Подобные реакции
иногда определяют как фотофобиые. При резком снижении ос-
вещенности также происходит изменение направления движе-
ния клеток, т. е. они реагируют на изменение освещенности нс в
пространстве, а во времени, как и в случае реакции на измене-
ние концентрации хемоэффекторов при хемотаксисе (см. с. 126).
Изменение силы света может привести к изменению скорости
движения бактерий, это явление определяют как фотокинез. В
реакциях фототаксиса эубактсрий участвуют реакционные
центры фотосинтеза. Мутанты с нарушенными реакционными
центрами теряют способность к фототаксису. В этом отношении
фототрофные бактерии отличаются от подвижных фототрофных
эукариот, фототаксис которых нс связан с фотосинтезом.
Клетки архебактерии Halobaclerium salinarium проявляют
фототаксис, причем красный свет действует как аттрактант, а
синий — как репеллент. Оба эффекта определяются адсорбцией
света одним н тем же пигментом — сенсорным родопсином (S
на рис. 1). В отсутствие света сенсорный родопсин имеет мак-
симум поглощения при 587 нм; поглощая фотон красного света,
3 Закал № 101
33
молекула переходит в состояние, при котором максимум c.v
щается в область 680 им и затем 373 нм. При этом генерирует
сигнал, приводящий к снижению частоты кувырканий клеть
т. е. к аттракции. Форма S373 может вернуться в исходное с
стояние за счет чисто термальной релаксации, и так фотоцш
заканчивается. Но если молекула S373 успеет поглотить фот
синего света, она переходит в промежуточное состояние S5io,
из него—в исходное. При этом генерируется сигнал, привод
щий к увеличению
лентпому эффекту.
частоты кувырканий бактерий, т. е. репс.г
Очевидно,
Рис. 1. Одно- и двухфотонпые
фотоциклы сенсорного родопси-
на (по: Spudich, Bogomolni,
J 984).
Объяснения в тексте.
что в отсутствие красного свет:
сипни не вызывает этого эффек
та. При освещении эффекты сум
мируются, и конечный результа
будет зависеть от относительно
интенсивности света той ил:
иной длины волны.
Таким образом, энергия све
га может быть использована бак
териями. Пути ее исиользовани:
у прокариот значительно разно
образнее, чем у эукариот, где из
вестей только один тип оксиген
иого фотосинтеза.
Для некоторых бактерий, ш
способных использовать энергии
света, он служит в качестве ре
гулятора определенных пронес
сов обмена. Так, у водной бакте-
рии Pseudomonas putida наблюдали активацию светом некото,
рых ферментов метаболизма, что можно рассматривать как
адаптацию, поскольку именно при освещении начинается фо-
тосинтез фитопланктона, продукты которого используются гете-
ротрофными водными бактериями.
Под фотохромностыо понимают зависимость образования
пигментов некоторыми микроорганизмами от освещения. Фото-
хромность свойственна миксобактерии Myxococcus xanthus и
особенно характерна для многих актиноминетов и близких к
ним организмов. В частности, синтез каротиноидов некоторыми
микобактериями стимулируется синим светом, причем процессы
синтеза пигментов имеют светозависимые и темновые этапы
Фотохромпость может контролироваться как хромосомными,
так и плазмидпыми генами. Кроме того, пигменты способны
защищать микроорганизмы от действия видимого света.
Солнечный свет может оказывать сильный антимикробный
эффект. Так, более 99,9% клеток штамма Escherichia coll с на-
рушенными репарационными механизмами погибают после об-г
лучения солнечным светом в течение трех минут. Правда, при
этом более 80% летальных повреждений связано с действием
34
света длиной волны менее 312 нм, действие видимого света от-
ветственно менее чем за 1% летальных повреждений. Видимый
свет длиной волны 450 нм индуцирует замены пар оснований
и мутации сдвига рамки у Е. coli. Световые волны длиной
550 нм и особенно 410 нм вызывают фотолизис клеток Мухо-
coccus xanthus. Эффект определяется поглощением света желе-
зопорфирипамн.
Существуют вещества фотосенсибилизаторы, в молекуле ко-
торых имеется хромофор, поглощающий свет и передающий его
энергию другим молекулам, не способным поглощать свет. Че-
рез бесцветные клетки свет проходит без последствий, но если
в такую клетку введен фотосенсибилизатор, она повреждается.
Известно более 400 веществ, обладающих свойствами фотосен-
сибплизаторов. Их хромофорами обычно оказываются цикличе-
ские ядра. Фотосснсибилизаторы содержатся в промышленных
стоках, смоге, многие лекарства представляют собой фотосен-
сибилизаторы, в том числе сульфаниламиды, ряд антибиотиков,
хинин, рибофлавин, метиленовый синий и другие красители.
Среди природных веществ фотосенсибилизаторами являются
псоралены (фурокумарвны), хлорофилл, фикобилины, порфири-
ны и др. Многие растения содержат псоралены, свет в их при-
сутствии повреждает ДНК. Порфирины находятся во всех
аэробных и некоторых анаэробных клетках. При нарушениях
в путях метаболизма могут накапливаться промежуточные про-
дукты синтеза порфиринов, также действующие как фотосснси-
билизаторы.
Некоторые фотосенспбилизаторы действуют только в присут-
ствии кислорода — это так называемый фотодинамический эф-
фект (см. с. 92).
УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ЛУЧИ
И ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Ближний ультрафиолет (УФ) — излучение с длиной волн
400 — 320 нм — даже в невысоких дозах оказывает на бактерии
определенное действие. Так, при освещении ближним УФ под-
вижных клеток Е. coli или Salmonella typliimurium сначала
наблюдается увеличение частоты кувырканий клеток, т. е. ре-
пеллептный эффект, но затем кувыркания полностью прекраща-
ются, и в конце конпов наступает паралич жгутиков, т. е. свет
нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофо-
ром является флавопротеин.
В сублетальпых дозах ближний УФ вызывает замедление
роста культур, главным образом за счет удлинения лаг-фазы.
Скорость деления клеток также несколько снижается, подавля-
ется способность бактерий поддерживать развитие фага и уг-
нетается индукция ферментов. Эти эффекты определяются в
основном поглощением УФ-лучсп 4-тиоуридином — необычным
3*
35
основанием, присутствующим в 8-й позиции у многих тРН)
прокариот (но не у эукариот). Наибольший эффект оказывав
свет длиной волны около 340 нм. Возбужденный светом 4-тио'
ридин образует сшивки с цитозином, находящимся в 13-м щ
ложении в тРПК, что препятствует связыванию тРНК с амищ
кислотами и приводит к увеличению образования гуапозинт)
трафосфата на рибосомах и к приостановке синтеза РНК
соответственно белка.(У Bacillus subtllis обнаружена и друга
чувствительная к ближнему УФ система, у которой восприн
мающим свет хромофором является меиахинон.
При относительно высоких дозах облучения ближним У
наблюдаются мутагенный и летальный эффекты. При этом н
рушения ДНК вызывают не столько сами УФ-лучи, сколы
различные другие возбужденные светом молекулы. И в этя
эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4-тиоурщц
ном. Мутагенное и летальное действие ближнего УФ в знаш
тельной степени зависит от присутствия кислорода.
Летальный эффект при облучении ближним УФ может бьц
связан с повреждением не только ДНК, но и мембран, в час
ности их транспортных систем. Чувствительность к ближнем
УФ бактерий может сильно зависеть от стадии роста культур!
что не наблюдается в случае действия дальнего УФ.
Эффект действия ближнего УФ может быть опосредова
фотосенсибилизатором. Так, в присутствии акридина у Е. со
ближний УФ вызывает нарушения как ДНК, так и внешней
цитоплазматической мембран, в результате чего клетки стано
вятся чувствительными к лизоциму, детергентам, осмотическом
шоку.
Ближний УФ может при невысоких дозах облучения вызы
вать фотопротекцию, т. е. снижать биологический эффект nd
следующего облучения дальним УФ. Представления о механи;
ме этого эффекта противоречивы. При относительно высоки
дозах облучения ближним УФ может наблюдаться и против!
положный эффект, т. е. усиление действия последующего обл;
чения дальним УФ.
Средний УФ — это излучения с длинами волн 320 — 290 н
и дальний УФ — излучения с длинами волн 290 — 200 нм. Би(
логические эффекты действия среднего и дальнего УФ сходш
Как уже было упомянуто, при облучении солнечным свето
гибель бактерий связана в основном с действием УФ. Однак
нужно иметь в виду, что нижний предел длины волны свет;
попадающего на земную поверхность, около 290 нм. В многс
численных исследованиях используются источники света с мен!
шей длиной волны. Считают, что резистентность организма
солнечной радиации, как правило, соответствует его устойчиво
сти к неионизирующему излучению от искусственных неточна
ков.
36
ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240 — 300 им, т. е.
в области среднего и дальнего УФ, с пиком поглощения в об-
ласти 254 нм. Этим объясняется высокая мутагенная и леталь-
ная эффективность облучения средним и дальним УФ. Образо-
вание пиримидиновых димеров в ДНК является основным ме-
ханизмом, обусловливающим легальный и мутагенный эффекты.
В состав димеров могут входить два соседних тиминовых или
цитозиновых остатка либо один тиминовый и один цитозиновый
остатки. Под влиянием УФ-облучения происходит также гидро-
ксилирование цитозина и урацила, образование цитозии-тимино'
вых аддуктов, сшивок ДНК с белком, формирование попереч-
ных сшивок ДНК, разрывы цепей и денатурация ДНК. Значе-
ние таких повреждений возрастает при повышении интенсивно-
сти облучения.
Ионизирующие излучения составляют определенный компо-
нент естественной радиации, определяемый нестабильными
изотопами, постоянно находящимися в почве, атмосферных
осадках. В областях залегания радиоактивных минералов есте-
ственный фон радиации повышен. Изотопы могут попадать в
живые организмы и тогда они подвергаются внутреннему облу-
чению. Бактерии иногда способны накапливать некоторые эле-
менты в очень больших количествах.
Ионизирующее излучение возникает также под влиянием
космических лучей. Космическое пространство служит источни-
ком первичных космических лучей. Первичные космические
лучи дают начало вторичным, воздействию которых и подвер-
гаются живые организмы. Интенсивность такого излучения за-
висит от географической широты, но особенно от высоты над
уровнем моря, и приблизительно удваивается каждые 1500 м.
В период солнечных вспышек фон космической радиации повы-
шен. Искусственное ионизирующее излучение возникает в ре-
зультате испытаний ядерного оружия, работы АЭС, примене-
ния радиоизотопов в медицинских, научных и других целях.
Наличие таких источников—причина того, что микроорганиз-
мы в наши дни подвергаются весьма высоким дозам облучения.
Ионизирующие излучения также вызывают повреждения
ДНК, которые принято подразделять на прямые и опосредо-
ванные, возникающие в связи с образованием свободных ради-
калов. Повреждения преимущественно представляют собой од-
ноцепочечпые или двухцепочечные разрывы молекулы ДНК.
Радиорезистентность различных бактерий варьирует в очень
широких пределах (рис. 2) и контролируется многими генами.
Сравнительно легко могут быть получены мутанты, более ра-
диорезистентпые или радиочувствительные (рис. 3). Степень
радиорезистентности зависит прежде всего от работы различ-
ных систем репарации и регуляции; степени устойчивости орга-
низма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизи-
37
рующим излучениям, могут не совпадать. Различные репар:
циониые системы бактерий будут рассмотрены нами ниже.
В некоторых случаях удается обнаружить связь радиоусто
чивости бактерии с особенностями се местообитания. Так, ми
роорганизмы, выделенные из родоновых минеральных источи
ков, оказываются в 3—10 раз более резистентными к радиацг
чем организмы тех же видов, выделенные из псрадиоактивнойв
ды. В охладительных системах ядерных реакторов, где средня
доза излучения превышает 10® ФЭР (физический эквивалеь
рентгена), обитают разные бактерии, в частности представит
ли рода Pseudomonas. В большинстве случаев, однако, труди
найти разумное объяснение адаптационного значения высока
доза уа>-обличения,	Лоза 'з'Ч>-сб-
эрг-мм'2	пучения, эрг. мм •
Рис. 2. УФ-чувствительность разных
бактерий.
i-Escherichia coll В;	2—Micrococcus
luteiis', J—споры Hacillus globigl'r, -i—Dei-
nococcus rcullodurans.
Рис. 3. Чувствительность к УФ-облу
ченпю Escherichia coli В и ее мутан
тов.
7-5. соН В s — I — рядиочувстнительный м;
тапг; 2—/’. coli В—дикий тип: .’У—Е. coli В г?
радпг»\стойчивый мутант.
радиоустойчивости некоторых бактерий. Особенно высока pz
диоустойчивость некоторых кокков, выделенных из облученны
продуктов. Очевидно, что в данном случае облучение могл(
служить фактором отбора, но не фактором, вызвавшим адап
тацию. Так, доза УФ, необходимая для инактивации 90% кле
ток УФ-резистентного штамма Е. coli, составляет около
1000 эрг-мм~2, в то время как для достижения такого же эф
фекта у Deinococcus radiodurans требуется доза в 10 000-
15000 эрг-мм-2 или 5* 105 рад в случае радиоактивного облуче
ния. Еще большей устойчивостью к УФ- и у-излучению облада
ет другой кокк — Deinococcus radiopHilus. Как уже уномина
лось, уровень радиорезистентности определяется главным обра-
зом степенью развитости репарационных систем. Deinococcut
radiodurans, видимо, способен репарировать даже двухнитевые
38
разрывы ДНК, летальные для большинства микроорганизмов.
Степень радиоустойчивости некоторых бактерий значительно
превышает предельный уровень радиации, с которым организ-
мы могут сталкиваться в природе. Наиболее вероятным объяс-
нением этого несоответствия может быть предположение о том,
'что радиоустойчивость — лишь одно из многообразных проявле-
ний действия систем широкого назначения. Правильнее было
бы говорить о степени устойчивости бактерий к определенным
нарушениям в структуре их клеток, чем об устойчивости к воз-
действию определенных факторов среды, поскольку одинаковые
нарушения могут быть вызваны разными причинами. Это от-
носится прежде всего к системам репарации повреждений ДПК.
§ 4.	СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ
Существенным фактором, воздействующим на физические
условия обитания организмов на Земле, является солнечная
активность. Ес изменения влияют на интенсивность электромаг-
нитного излучения Солнца. Коротковолновое излучение почти
полностью поглощается в верхних слоях атмосферы, влияя на
состояние ионосферы Земли и в конечном счете на фоновые
электромагнитные поля у поверхности Земли. Вес околосолнеч-
ное пространство заполнено водородной плазмой, непрерывно
истекающей из короны Солнца (солнечный ветер). С полуден-
ной стороны магнитное поле Земли останавливает солнечный
ветер, образуется стоячая ударная волна. С ночной стороны си-
ловые липин геомагнитного поля образуют длинный шлейф,
простирающийся далеко за орбиту Луны. Частицы солнечного
ветра не попадают на поверхность Земли, но Земля оказывает-
ся в области, получившей название магнитосферы. Даже сла-
бые «порывы» солнечного ветра приводят к возмущениям цело-
го ряда факторов внешней среды на поверхности Земли. Важ-
ную роль при этом играет межпланетное магнитное поле, име-
ющее солнечное происхождение. В проекции па плоскость
гелиоэкватора силовые линии межпланетного магнитного поля
имеют вид раскручивающихся спиралей. Направление силовых
линий сохраняется в течение некоторого времени, а затем скач-
кообразно меняется на противоположное, чтобы спустя не-
сколько дней тоже скачком принять прежнее направление.
Обычно за один оборот Солнца (27 дней) наблюдается два или
I четыре таких перехода. Соответственно говорят о секторах
I межпланетного магнитного поля. Прохождение секторной грани-
цы близ Земли приводит к изменениям в типе циркуляции земной
атмосферы, мощности грозовой активности и т.п. После мощных
хромосферных вспышек возрастает интенсивность солнечного
космического излучения, что приводит к возрастанию потока
вторичных космических лучей у поверхности Земли. При хро-
мосферных вспышках наблюдаются всплески рентгеновского из-
39
Рис.
лучения и радиоизлучения. Ударная волна от хромосферно!
взрыва достигает Земли спустя 1,5 — 2 сут, вызывая Магнитку
бурю. Магнитная буря обычно сопровождается атмосферой
возмущением и северным сиянием. Таким образом, усилен!
солнечной активности приводит к возмущениям магнитосфер
и ионосферы и к возрастанию напряженности электромагниту
го поля Земли.
Советский ученый А. Л. Чижевский (1897—1964) являете
родоначальником гелиобиологии — науки, исследующей связ
биосферы с солнечной актш
ностыо. Па основе изучен!:
большого статистического м;
териала А. Л. Чижевский npi
шел к выводу, что псриодид
ская деятельность Солнца я«
ляется регулятором эпидеми
по времени и силе их проя,
ления. Расширение и ужест(
ченпе эпидемий и пандемц
идут, как правило, параллел!
но усилению пятнообразов;
тельного процесса на Солнц
(рис. 4).
В микробиологической Л1
тературе можно найти утве]
ж пения о возможности прям;
го воздействия на микроорг;
низмы излучения, связанно!
с солнечным. Это так назызг
емые «погодные лучи» ил
другие лучи, природа которы
неясной. А. Л. 4i
также считал во:
прямые эффект
такого рода. Однако с большей достоверностью установлен
непрямое влияние солнечной активности на взаимодействия па
тогенных микроорганизмов с их хозяевами. Например, относи
тельно недавно прослежена связь между прохождением солнеч
ных пятен через центральный меридиан Солнца, усиление:
юго-западных ветров и частотой обнаружения возбудителя чу
мы в Или-Карательском междуречье в 1970—1971 гг. Обнару
жено, что вызванные изменениями солнечной активности севе
ро-западные ветры приносят значительное понижение темпера
туры воздуха; это, в свою очередь, приводит к усилению пре
цессов обмена веществ в организме зверьков и повышает и
восприимчивость к возбудителю чумы, распространенность кс
торого соответственно увеличивается.
4. Схематические кривые (по:
Чижевский, 1976).
смертности от холеры (/ я
Японки. 2— п Индокитае. 3 — на Фи-
липпинах. •/ н Британской Индии).
5 солнечной активности.
остается
жсвсмин
ножным
40
§ 5.	ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
Бактерии относительно мало чувствительны к изменению
I гидростатического давления. Повышение давления до некото-
рого предела не сказывается на скорости роста обычных на-
। земных бактерий, но в конце концов начинает препятствовать
нормальному росту и делению. Жизнедеятельность некоторых I
бактерий угнетена уже при 100 атм, но повышение давления
до 200 атм даже несколько стимулирует рост Е. coli. Однако
при давлении в 400 атм Е. coli начинает образовывать нитча-
тые клетки, рост которых замедлен. При давлении в 1000 атм
за 48 ч погибало 90% клеток, а через 5—7 сут наблюдали их
полную гибель. Следует отметить, что различные процессы кле-
точного метаболизма в разной степени чувствительны к повы-
шению давления. Так, у Е. coli повышение давления прежде^
всего препятствует дерепрессии лактозного оперона, у Bacillus '
licheniforinis — индукции синтеза пенициллиназы. При этом ин-
дукция других ферментов нс затруднена. Чувствителен к повы-
шению давления именно процесс регуляции на уровне транс-
крипции, у конститутивных мутантов активность синтеза и ра-
боты этих ферментов к давлению не чувствительны.	>
Следует иметь в виду, что '/г поверхности Земли находится
в оксане на глубине 3000—6000 м, где давление соответственно
около 300—600 атм, а примерно 1% поверхности Земли — глуб-
же 6000 м. где давление может достигать 1100 атм. Среди бак-
терий, выделенных из глубин океана, имеются баротолерантные,
которые способны развиваться как при обычном атмосферном —
около 1 атм, так и при повышенном — 500—600 атм, давлении.
Экстремально баротолерантные бактерии хорошо растут при
давлении выше 600 атм.
Барофильныс бактерии развиваются лучше при давлении
более высоком, чем давление на земной поверхности, причем
оптимальные значения давления для разных штаммов неодина-
ковы. Снижение давления приводит к замедлению роста таких
штаммов и нарушению процессов деления. При этом образуются
нитевидные клетки. Облигатно барофильные бактерии неспособ-
ны развиваться при давлении в 1 атм. Такие бактерии были
выделены, например, из образцов, взятых па дне Марианской
впадины в Тихом оксане. При давлении 1 атм за 5 ч отмечена
гибель 90% клеток облигатно барофилыюн бактерии.
Верхняя предельная величина давления для жизни бактерий
пока неизвестна.
Баротолераптные п барофильные бактерии обычно пенхро-
фильны, так как температура в глубинах океана низка. Повы-
шение давления, гак же как понижение температуры, снижает
текучесть липидного бислоя мембран. У глубоководных бактерий
сохранение оптимальной текучести мембран обеспечивается
своеобразным жирнокислотным составом их липидов. Эти ли-
41
пиды характеризуются значительным содержанием (до 20 Щ
длинноцепочечных полиненасыщенпых жирных кислот, приче
при повышении давления содержание этих кислот возраста^
Полиеновые кислоты имеют относительно низкую температур
плавления и соответственно не замерзают при значительном по.
вышенин давления. В составе мембран большинства изученпы)
бактерий подобные жирные кислоты не встречаются.
При давлении, которое значительно ниже атмосферного, жиз
неспособность бактерии обычно нс нарушается, однако при па
денни давления неизбежно уменьшается содержание в среде 0J
II2, СО2 и других газообразных веществ, что может сильщ
влиять на рост бактерии. В условиях глубокого вакуума суб
страт высыхает и жизнь невозможна.	!
§ 6.	ТЕМПЕРАТУРА
КАРДИНАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Все физико-химические процессы, обеспечивающие функцио
нальную активность клетки, а также состояние ее макромоле
кул, в большей или меньшей степени зависят от температуры
По мере повышения температуры скорость химических реагё
ций возрастает, следовательно, скорость роста микроорганизм?
увеличивается. Однако при высоких значениях температурь
белки, нуклеиновые кислоты и другие компоненты клетки могу
необратимо инактивироваться, что приводит к се гибели.
При слишком низкой температуре также нарушаются про
цессы биосинтеза, и рост прекращается. В некоторых предела
зависимость скорости роста от температуры определяется урае
пением Аррениуса:
log ;j. = -Д£.'2,ЗОЗ	-J- С,
где ц — константа скорости роста данной оактерии; Е— энсг
гия активации, в нашем сл>
чае определяемая как темт
ратурная характеристика бак
терпи; Т—абсолютная темп!
ратура; С—постоянная, от
ражающая влияние па скС
Рис. 5. Общий вид зависимости скс
рости роста бактерий от температурь
Макс. — максимальная, Опт. —оптимал!
ная, Мин. — минимальная кардинальна
температуры (по: Gounot, 1986).
рость роста других факторов; R — газовая постоянная.
На графике зависимости log ц от 1/Т (рис. 5) прямая линия
соответствует значениям температуры, в пределах которых со
42
Таблица 2. Ттмптрягурные катсрмли роста искоюрых ннкроориннхмоа
OpiauiiJMU
Arihrohacier glacialis
Micrococcus cryop/tilus
Pseudomonas aeruginosa
Pseudomonas ftuorescens
Vibrio sp. E fi-4-4
Vibrio morinus
Vibrio (holerae
Est herihia roii
b'cisseria ganorrhoeae
Thermos aquaiicas
Thermus Hiermophiius
Hacilhis Ifiermocaicnidatus
pyrtnoccus fitriosns
Pifmiictiunt oceiiilutn
блюдается уравнение Аррениуса, и для нес из эксперимснталь!
пых данных может быть рассчитана температурная характер^
стика (£), численные значения которой у разных бактерий до!
вольно сильно различаются. Па графике (рис. 5) также пока
зано, что для каждого организма существует минимальная тем
пература, ниже которой рост не наблюдается, как бы долго щ
длился период инкубации; оптимальная температура, при кото
рой организм растет с наибольшей скоростью, и максимальна;
температура, выше которой рост невозможен. Оптимальная тем
иература всегда ближе к максимальной, чем к минимально)
Эти три температурные точки, называемые кардинальными, ха
рактерны для каждого вида или даже штамма. Значения кар
динальиых температур .мс
гут несколько изменятьс
Температура,
Рис. 6. Зависимость скорости роста пси-
хрофилов (/), мезофилов (2) и термо-
филов (3) от температуры (по: Brock,
1979).
под влиянием различны
факторов среды, например
при выращивании микроор
ганизмов на разных питг
тельных средах. В большш
сзве случаев рост бактери
происходит в температур
пом интервале порядк
40 °C, по иногда эти рами
значительно уже (табл. 2)
Температурные интерва
льт. в которых возможе,
рост бактерий в природе
весьма широки — от отри
нательных до значений вь
ше 100°C. Значение кардинальных температур у разных баи
терпи весьма существенно различаются: оптимальная темпере
тура для роста одних бактерий лежит в диапазоне от 5 до 10°C
для роста других — от 75 до 80 °C, а некоторые лучше всего раз
виваются при 105°C.
По отношению к температуре бактерии делят на три грунт
(рис. 6): психрофилы и психрографы (гр. psychria — холод, ph
leo — люблю, или trophe — питание), относительно быстро ра:
множающиеся при температуре 0°С; термофилы (гр. therme-
жара, тепло), растущие при температуре выше 45—50СС,
мезофилы (гр. mesos — средний, промежуточный), развивал
шисся в диапазоне умеренных температур. Эти группы бакт(
рий имеют не только разные кардинальные температуры, но
разные значения температурных характеристик (£).
Мезофилы широко распространены в природе, их можно о!
наружить в почве, в воде умеренных и тропических шпрот,
организме различных животных и человека. Диапазон темпе
ратур, в котором возможен-рост тех или иных форм мезофидь
44
пых бактерий, весьма различен, так же как разнообразны зна-
чения их кардинальных температур.
Психрофилы и термофилы — обитатели низкотемпературных
и высокотемпературных мест и регионов нашей планеты. Спе-
цифика их экологии заслуживает более подробного рассмот-
рения.
ПСИХРОФИЛ ЬНЫЕ И ПСПХРОТРОФНЫЕ БАКТЕРИИ
К облигатным, или истинным, психрофилам относят такие
организмы, оптимальная температура жизнедеятельности кото-
рых составляет 15°С или ниже, а максимальная — не выше
20 °C. Они могут существовать только в местах с постоянно низ-
кой температурой. У некоторых психрофильных бактерий, на-
пример Vibrio psychroerythrus, Bacillus psychrophilus и др., при
повышении температуры нарушается деление, образуются нит-
чатые клетки, изменяется структура клеточной стенки и цито-
плазматической мембраны, происходит утечка в среду внутри-
клеточных метаболитов и начинается лизис клеток. Психрофилы
обычно быстро погибают даже при вполне, казалось бы, уме-
ренной, комнатной, температуре. Например, если суспензию кле-
ток Vibrio marinas МР-1 выдержать в течение часа при темпе-
ратуре 20,5°С, которая всего на 1 °C выше максимальной для
этой бактерии, число клеток, способных к размножению, сни-
зится в 10 раз.
Для многих штаммов бактерий, выделенных из арктических
морей, характерна исключительная термочувствителыюсть
(табл. 3). Значительная часть таких бактерий гибнет при тем-
пературе 20 и даже 15°C.
Таблица 3. Влияние температуры на рост штаммов бактерий, выделенных
из арктических морей (по: Wiebe, Hedricks, 1971)
Выделены с глубины, м	Число иниммон бактерий, растущих при T, "С		
	4	15	2(1
2- 10	116	91	66
200— 400	123	63	30
1000-1500	128	76	4!)
8000	121	74	33
Всего	488	304	178
Исключительная чувствительность облигатных психрофилов
к температуре сильно затрудняет их изучение в лаборатории,
гак как необходимо следить, чтобы температура не повышалась
чи в момент взятия пробы, ни во время доставки ее в лабора-
торию, ни при посевах или наблюдениях и других манипуля-
хиях с культурами. Среды и оборудование должны быть пред-
45
варительио охлаждены. Работу обычно проводят в холодной
комнате или в камере рефрижератора. По приведенным «те.\.
инчсским» причинам облигатные психрофилы недостаточно хо
рошо изучены. Большинство работ по психрофилпи выполнен
на факультативных организмах.
Психрографы растут при О °C, по температурный оптимум и:
развития составляет 25—30°C и максимум около 35°C, их назы
вают иногда факультативными психрофилами. Психротрофы б<(
лее широко распространены, чем облигатные психрофилы. Их ча
сто обнаруживают в почве и воде в
условиях умеренного Клима
та. При 0 °C рост присхро
трофов очень замедлен и ста
ловится заметен на сре^
только через несколько не
дель после посева. При этот
температуре облигатны
психрофилы растут быстра
что в конечном счете и обе(
почивает их доминирование
местах обитания с постояв
ио низкими значениями тем
пературы. В условиях уме
репного климата весной
когда температура поднима
стся до 25—30 °C, она ста
новится мощным селектш
иым фактором, благоприя
ным для психротрофов
исключающим облигатш
формы. Например, при те
п ер а ту ра х, ирибл иж а юшг
ся к минимальным д
роста, развитие облигат
Рис. 7. Кривые Аррениуса макси-
мальных удельных скоростей роста
облигатного (/) и факультативного
(^) психрофилов рода Pseudomonas
при различных температурах (по:
Harder, Vcklkarnp, 1968).
психрофильного штам»
Pseudomonas aeruginosa протекает интенсивнее, чем пспх[
трофного штамма этого вида (рис. 7). Зависимость Аррениу
для удельной скорости роста психрофила остается лннейн
вплоть до — 2°C (точка замерзания использованной в экспе(
менте среды). Для психротрофа отклонение ее от линейное
происходит при температуре выше 0 °C.
Величина температурной характеристики (Е) для псих|
трофных штаммов Arthrobacder ниже, чем для мезофильнь
а для психрофильных ниже, чем для психротрофных (табл.
С этим связана большая эффективность роста психрофильШ
бактерии при низких температурах.
Психрофилы способны осуществлять активный транспорт 1
ществ в клетки при низких температурах, у мезофилов при т
же температурах системы транспорта быстро выходят из стр<
4G
Инактивацию транспортных механизмов иногда рассматривают
в качестве одного из главных факторов, определяющих мини-
мальную температуру роста бактерий.
Таблица 4. Температурная характеристика различных штаммов бактерий
рода Arthrobacter (N. Canillac, цит. по: Gounot, 1986)
Гр\ила	Вид	кал.
Психрофил Психротрофы Мезофилы	Arthrobacter glacialls Arthrobacter sp. Arthrobacter sp. Arthrobacter sp. Arthrobacter sp. Arthrobacter globifonnls Arthrobacter varlabilis Arthrobacter ureajacians	12,200 14,800 15.100 15,800 18,000 21,200 21,800 23,900
Способность бактерий адаптироваться к тем или иным зна-
чениям температуры в большой степени связана с возможностью
соответствующего изменения состава жирных кислот, входящих
в липиды, формирующие бислой цитоплазматической мембра-
ны (ЦМ).
ЦМ бактерий представляет собой мозаику агрегатов функ-
ционально специализированных белков, включенных в липидный
бислой, находящийся в жидкостном состоянии. Многие мем-
бранные белки, в частности транспортные, обладают значи-
тельной свободой перемещения в плоскости мембраны. Чтобы
ДМ обладала текучестью, точка плавления липидов должна
быть ниже температуры среды. При понижении температуры
:реды ниже точки плавления липидов последние кристалли-
уются и затвердевают, при этом мембрана утрачивает свою
)ункциоиальную активность. Температура плавления мембран-
ах липидов в первую очередь зависит от температуры плавле-
|ия входящих в их состав жирных кислот. Известно, что послед-
яя снижается с уменьшением длины цепи, появлением йена-
ыщенных связей, циклопропановых групп, а также с ветвле-
ием цепи, особенно если метильные группы находятся в антеи-
о-положеиии.
Жирнокислотный состав липидов бактерий может быть раз-
ообразным и изменяется в зависимости от условий роста. Как
остав жирных кислот, так и характер его изменений — индиви-
уальное свойство определенных таксонов бактерий. Однако
/шествует закономерная связь жирпокнелотпого состава лини-
эв данной формы с особенностями ее отношения к темпера-
г'ре. Чем выше температура, при которой растет бактерия, тем
зычно длиннее цепи входящих в ее липиды жирных кислот и
:м меньше содержание ненасыщенных и аптеизо-разветвлен-
ых кислот. У многих форм функционируют регуляторные меха-
47
низмы, обеспечивающие увеличение относительного содержа
ненасыщенных жирных кислот в липидах при снижении те^
ратуры роста. Такой способностью обладает, например. Е.
(табл. 5).
Табл и на 5. Влияние температуры на содержание (%)
некоторых жирных кислот у Escherichia coli
(Marr, Ingraham, 1962)
	Температура. °C	
Жирные КИС.Ю1Ы		
	10	
Насыщенные:		
миристиновая	3,9	7.7
пальмитиновая	18,2	43,0
Ненасыщенные:		
гексадсцсноная	26.0	9.2
ежтадеценовая	37,9	12,2
Известно два механизма регуляции соотношения жирг
кислот в мембранах в зависимости от изменений температу
Во-первых, процесс включения тех или иных жирных кисло
мембрану может зависеть от значения температуры; во-вто[
этот фактор влияет на соотношение синтезируемых насыщени
и ненасыщенных жирных кислот.
Первый из этих механизмов осуществляется, паприм
в клетках Е. coli; отношение содержания олеиновой и стеа
новой кислот, которые включаются в фосфолипиды, увели
вается по мере снижения температуры, при которой растут б
терпи. Регуляция второго рода осуществляется в клетках <
cillus megaterium. Бактерии нс синтезируют ненасыщещ
жирные кислоты при 30°C и выше, по при температуре ок<
20°C превращают пальмитиновую кислоту в ненасыщенн
Оказалось, что в клетках В. megaterium, растущих при 30j
отсутствует соответствующая десатураза жирных кислот, j
синтез фермента быстро индуцируется при снижении темпер
туры культивирования до 20 °C. Если снова повысить темпе
туру до 30 °C, то синтезированный бактериями фермент быр|
теряет свою активность.
Из приведенных данных следует важный вывод: клетки б
терий обладают механизмами, обеспечивающими адаптивр
изменения состава жирных кислот в мембранных липидах в
ответствии с температурой окружающей среды — это так на
ваемая гомеовязкостиая адаптация. В частности, при сниже
температуры происходит повышение содержания ненасыщ
ных жирных кислот в составе липидов ЦМ. Этим предотв
щается замерзание липидов и избыточная жесткость мембр
48
На возрастание температуры среды клетки отвечают сни
ниеМ содержания ненасыщенных жирных кислот — этим иь
чоТвращается чрезмерное разжижение липидов и выходящая
за пределы нормы дебилизация мембран.
Способностью к гомеовязкостной адаптации обладают как
мезофилы, так и психрофилы и психротрофы, однако при одной
п той же температуре содержание ненасыщенных жирных кис-
лот у психрофилов выше, чем у мезофилов (табл. 6).
Даблина 6, Содержание ненасыщенных жирных кислот (в % к общему
количеству жирных кислот) в зависимости от температуры у различных
штаммов Arf/irobac.'er (по: Canillac е. а., 1982)
| Темпериту»» кырищниаипя. С
I I I2 -* 1 * * * У» I т2>	|.:3
Мезофил
A. globijorniis . . . (32)
Пспхротроф
A-lhrobacier sp. SI 55 (25)
I (спхрофпл
A. glacialis . . . . (13)
Примечание. В скобках — значения оптимальной температуры ро-
ста штамма, °C.
Как известно, у глубоководных психрофильных бактерий, ко-
торые развиваются нс только при низкой температуре, но и при
высоком гидростатическом давлении, в мембранах обнаружены
необычные для бактерий полинснасыщен-ные жирные кислоты.
У психрофильиой грамположитсльной бактерии Micrococcus
cryophilus при понижении температуры нс увеличивается содер-
жание ненасыщенных жирных кислот, но уменьшается длина их
углеродных цепей,
Низкие температуры плавления мембранных липидов псих-
рофильных бактерий, несомненно, необходимое, но нс единствен-
ное условие для их развития при низких температурах.
Клетки ряда штаммов мезофилов п термофилов при низкой
(температуре теряют способность к образованию полисом, т. е.
утрата жизнедеятельности вследствие охлаждения можег быть
обусловлена чувствительностью к холоду процесса трансляции.
Так, бслоксинтезирующая активность у мезофила Pseudomonas
aeruginosa уменьшается при охлаждении до 0°С и совершенно
исчезает после 12 ч содержания его при этой температуре.
У E.coli при температуре ниже 7°С нс происходит инициация
синтеза белка и иолисомы распадаются. Исчезновение полисом
при низкой температуре наблюдается у мезофила .4 zotobacier
binelandii и термофила Bacillus slearoihermophilus. Напротив,
1 Заказ X; 101
19
у психротрофа Pseudomonas sp. 351 и психрофила V
rio sp. АВЕ-1 белоксиптезпрующая активность возрастает
мере охлаждения среды до 0сС. Правда, под воздсйсгви
охлаждения содержание полисом в клетках этих бактерий в'
мепно снижается, но затем вновь возрастает до исходного ур,
вя. Восстановление белоксинтезирующей активности облигатш
психрофила происходит быстрее, чем у психротрофа.
Нарушения функций рибосом при низкой температуре, ве]
ятно, определяются свойствами рибосомальных белков, их к<
формационными изменениями, например в результате ослаб,
ния при понижении температуры гидрофобных взаимодейств!
Вызванные понижением температуры конформационные изз
нения регуляторных белков также могут приводить к наруи
ния.м нормального хода биосинтетических процессов.
Таким образом, жирпокпелотпый состав липидов и особ*
пости функционирования бслоксинтезирующсго аппарата оп
деляют уровень нижней температурной границы роста бак:
рий. Верхняя ее граница зависит от свойств бактериальн:
белков.
Одной из причин, определяющих относительно низкие 3i
ченпя температурного максимума роста облигатных психро*
лов, считают тепловую денатурацию белков, происходят*
у них при весьма умеренных температурах. Причем у облип
ных форм психрофилов на фоне обшей умеренной термоустойч
вости ферментных белков отмечено присутствие некотор,
исключительно термолабильных ферментов, которые и опре/
ляют в конечном счете низкий уровень максимальной темпер
туры роста организма. Для ряда штаммов установлено, что э
аминоацилсинтетазы. Вместе с тем некоторые ферменты психр
филов могут быть весьма термоустойчивыми.
Температурный оптимум активности ферментов у облигатш
психрофилов, как правило, лежит ниже, чем у аналогичных ф(
ментов мезофилов. При отклонении температуры от оптима^
ной активность ферментов психрофилов значительно быстр
падает при повышении температуры, чем при се понижен!
При этом ферменты психрофилов способны интенсивно ра(
тать при низких температурах.
Различия в свойствах аналогичных ферментов психрофил
и мезофилов обусловлены различиями в их структуре. Бь(
изучены термоппдуцпрованпые структурные изменения глу
мил-тРНК-синтетазы облигатного психрофила Micrococi
psychrophilus и его мезофильного мутанта, отличающегося
штамма дикого типа только по степени термостабильности эт(
фермента. Скорость распада активной формы на субъсдини
при нагревании у фермента исходного штамма была выше, ч
у фермента мутанта. Однако при температуре естествснН
среды обитания этого морского вида фермент дикого, психр
фильиого штамма действовал более эффективно, чем ферме
50
мутантного, мезофильного штамма, т. е. чувствительность к по-
вышенной температуре как-то связана с высокой активностью
фермента при низких температурах.
Рассмотренные данные свидетельствуют о структурной спе-
цифичности ферментов пспхрофильных организмов, которая про-
является в их активности и стабильности при низких температу-
рах и носит, несомненно, адаптивный характер.
Не вес ферменты психрофилов чувствительны к повышению
температуры. Некоторые, в том числе вызывающие деградацию
макромолекул, не только устойчиво сохраняют, по и усиливают
свою активность при повышении температуры, что в конце кон-
цов приводит к разрушению компонентов клетки. Это может
быть одной из причин термочувствительности облигатных псих-
рофилов.
Психрофилия определяется комплексом причин, причем при-
способленность психрофилов к существованию в условиях низ-
ких температур объясняется исключительно их физиолого-био-
химическими свойствами. Нс обнаружено каких-либо цитомор-
фологпческих особенностей, характеризующих психрофильные
бактерии.
Как уже было упомянуто, могут быть получены мутанты
с суженными границами температуры, допускающей рост. Пси-
хрофилию удалось передать от психрофильного штамма Pseudo-
monas fluorescens мезофильному штамму Р. aeruginosa путем
трансдукции.
Психрофилия не является свойством определенной система-
тической группы бактерий. Среди них есть палочки, кокки, ви-
брионы, грамотрицатсльные и грамположительпые, образующие
споры и не образующие их, строгие аэробы, факультативные и
строгие анаэробы. Психрофильные формы обнаружены среди
представителей по крайней мере 16 родов, в том числе ЛегоЬас-
ter, Aeromonas, Alcaligenes, Azolobacler, Bacillus, Corynebacle-
rium, Nitrobacter, Nitrozomonas, Micrococcus, Proteus, Strepto-
coccus и др. Большинство известных психрофилов относятся
к р. Vibrio и Pseudomonas. Из ледников Исландии были выде-
лены психрофильные нггаммы Arthrobacler glacialis. В морских
осадках, почве обнаружены психрофильные Clostridium, способ-
ные образовывать споры при О °C.
Психрофильные бактерии широко распространены в природе,
поскольку полярные регионы и океаны составляют 14 и 71%
поверхности Земли соответственно. Психрофилы формируют по-
стоянную естественную микрофлору регионов вечного холода.
Температура в Антарктиде даже летом нс превышает 0°С. В та-
ких условиях существование мезофилов исключено, тем нс ме-
нее в грамме почвы Антарктиды содержатся сотни или тысячи
клеток бактерий. Выявлены бактерии и установлена их актив-
ность в одном из самых суровых регионов Земли — так называе-
мых Сухих долинах южной части Антарктиды. По мнению иссле-
1*
51
дователей, эта область моделирует условия на Марсе. Гра.мп
ложительные и грамотрииательные палочки и кокки были па
дены в пробах воды озера Дон Жуан в Антарктиде, которое
замерзает из-за высокой солености даже при температуре .
—48 °C.
Психрофильные бактерии живут в условиях Арктики, их н
ходят в пробах из горных ледников, морен, наносов холоднг
пещер, в воде колодцев и родников.
Средняя температура воды у поверхности океанов —5, а ок
ло дна 1—2°C. Океаны являются естественной средой обитай
психрофильных бактерий, которые находятся в воде в свобо
пом состоянии или входят в состав микрофлоры морских раст
нип или животных. В желудке некоторых глубоководных оке
ничсских рыб были обнаружены психрофильные бактерии, пер
варивающие хитиновые панцири ракообразных.
В регионах с постоянно низкими температурами психр*
фильныс бактерии играют существенную роль в превращен!
веществ.
Психротрофные бактерии также широко распространены
природе. Их развитие может приводить к порче пищевь
продуктов при низких температурах. Так, в молоке возмож!
развитие психротрофов, относящихся к родам Pseudomonas, Ас
netobacter, Alcaligenes, Chromobacterium, Plavobaclerium и д
Некоторые из этих бактерий образуют термостабильные липаз
и протеазы, сохраняющие активность после пастеризации. Ра:
витие в молоке перечисленных бактерий приводит к появлеши
неприятного привкуса, запаха, окраски. Очевидно, что чс
ниже температура хранения продукта, тем медленнее развив;
ются бактерии. Молоко и молочные продукты рекомендуете
хранить при 0—4°C и реализовать в течение 24—36 ч.
В мясе при температуре ниже нуля могут размножатьс
психротрофные псевдомонады, грамположительные палочки,
том числе Lactobacillus viridescens и Brocholhrix thermosphacti
развитие последнего приводит к накоплению дур-но пахнущи
продуктов обмена и делает мясо непригодным к употребленш
При низкой температуре в мясе могут появиться такие психре
трофные патогенные или токсигенныс бактерии, как Listeria топе
cytogenes, клостридии. Clostridium botulinum типа Е может раз
виваться в мясе и образовывать токсин при 4-6 °C. Согласно даН
ным Международного института холода, не следует хранить мяй
и рыбу при температуре выше —12°С. При длительном хранепШ
рыбы рекомендуют поддерживать в холодильной камере тсмйе;
ратуру —25 °C.	d
Психротроф Cytophaga psychrophila известен как возбуд
тель заболеваний лососевых рыб и ракообразных («ожогов;
пятна», некрозы экзоскслета) при температуре воды ниже 13°'
Фитопатогенный психротроф Pseudomonas syringae, выз,
вающий «ожоги» и пятнистость листьев, весной развивается Н
52
почках, листьях и цветах фруктовых деревьев. Его клетки слу-
жат центрами кристаллизации льда при температуре около
--2°С. Образование льда приводит к механическому разруше-
нию клеток растения, что в дальнейшем способствует проникно-
вению бактерий в его ткани и развитию заболевания. Клетки
бактерий могут служить центрами кристаллизации льда благо-
даря особенностям строения их поверхностных структур. Полу-
чены мутанты, лишенные этой способности, которых пытаются
использовать для предотвращения заболевания. Клетки мутан-
тов, нанесенные на растение, его заселяют и препятствуют по-
явлению здесь других форм бактерий, сами же они при пони-
женной температуре не нарушают целостности растения и не
вызывают заболевания.
ТЕРМОФИЛЬНЫЕ БАКТЕРИИ
К термофильным относят организмы, которые растут при
температуре выше 45—50°C. В зависимости от значений карди-
нальных температур среди термофильных бактерий различают:
облигатные термофилы, име-
ющие температурный опти-
мум 65—70 °C и минимум
выше 40—42 °C, факульта-
тивные термофилы с темпе-
ратурным максимумом 50—
65 и минимумом менее 20 °C
и термотолерантные бакте-
рии с температурным мак-
симумом 45—50 °C. Бакте-
рии с температурным опти-
мумом выше 70 °C определя-
ют как экстремально тер-
мофильные. Эти бактерии
по сравнению с облигатны-
ми термофилами имеют
также более высокий гем-
Рис. 8. Зависимость скорости роста
мезофильной (/), термотолерантной
(2) и термофильной (5) бактерий от
температуры.
пературный минимум и мак-
симум.
Термотолерантные (лат.
iolerantia — терпение) бак-
терии способны переносить довольно высокую температуру без
нарушения нормального роста. Они отличаются от термофиль-
ных, предпочитающих высокие значения температуры, по ха-
рактеру изменения скорости роста при повышении температуры
культивирования. При повышении температуры от 37 до 43 °C у
термотолерантного микроорганизма скорость роста максималь-
на и существенно не изменяется, у факультативно термофильно-
53
го значительно увеличивается, а у мезофильного, наоборот, снц.'
жается (рис. 8). В отличие от 'мезофильных и термофильны}
микроорганизмов, имеющих одну оптимальную для их роста
температурную точку, термотолерантные микроорганизмы ха
рактеризуются оптимальным температурным плато, в пределах
которого скорость их размножения практически не меняется;
Плато может занимать интервал температур в 10°C.
Приведенная классификация термофилов в значительной
мере произвольна и условна, однако опа удобна для практике-
ского использования.	к
Термофильные бактерии широко распространены в природ^
Средн них можно выделить несколько групп, различающих^
особенностями биологии и распространения.
Некоторые термофильные бактерии, для которых характерны
не слишком высокие значения оптимальной и максимальной тем
пературы, в своем распространении не связаны с каким-либ|
субстратом, имеющим постоянно высокую температуру. Так, сисн
собность к росту при температуре 45°C и выше и отсутствие
роста при 15, иногда даже 20 °C, — таксономический признак
ряда видов гомофермептативных Lactobacillus-, это такие широ-
ко распространенные виды, как L. delbriickii, L. lactis, L. bulga-
ricus, и др. Температурный максимум у этих лактобацилл обыч*
по лежит в пределах от 50 до 53°C. Они обитают на повсрхносп
многих растений, откуда попадают в различные продукты — ш
легко можно обнаружить в молочных продуктах, солениях и мд
ринадах, в вине п фруктовых соках. Лактобациллы постоянн(
присутствуют в ротовой полости, кишечном тракте и влагалище
многих теплокровных животных и человека.
Широко распространены в природе термофильные бактерии;
связанные в своем развитии с саморазогрсвающимися органи-
ческими субстратами. Это может быть влажное сено, торф, хлф
пок, зерно, табак, а также навоз, компосты, прелые листья, си-
лос. В соответствии с законами термодинамики при осуществлен
иии микроорганизмами процессов трансформации часть энергии
неизбежно переходит в тепло, т. с. происходит термогенез.
Обычно повышение температуры субстратов, на которых разви
ваются бактерии, незначительно и незаметно, поскольку тепло
быстро рассеивается. Благоприятные условия для значительной}
разогревания субстрата создаются в рыхло уложенных влаж-
ных кучах органических материалов, где прослойки воздуха спо?
собствуют необходимой аэрации и обеспечивают термоизоляцию
участков субстрата внутри кучи. Интенсивное развитие разн4
образных, главным образом аэробных мезофильных микроорг^
пизмов приводит к аккумуляции тепла и разогреву субстрата
Температура постепенно становится благоприятной и для термо?
филов. Интенсивность обмена термофилов выше, чем мезофилоЧ
и при их развитии температура возрастает особенно быстро й
часто достигает значений, при которых микроорганизмы гибнут?
54
а субстрат начинает обугливаться в результате чисто химиче-
ских реакций. Это может привести к самовозгоранию. Самовоз-
горание органических субстратов — нежелательный процесс, так
как при развитии микроорганизмов происходит потеря ценных
органических веществ субстрата, а иногда, при самовозгорании,
последствия могут быть трагичны. Однако саморазогревание
навоза с пользой используют при отоплении парников. В тропи-
ках живут птицы, так называемые сорные куры, откладываю-
щие яйца в кучи саморазогрсвающихся опавших листьев вместо
того, чтобы их насиживать.
Очевидно, что в описанных случаях условия, благоприятные
для развития термофильных бактерии, сохраняются недолго.
Неудивительно, что подобные бактерии, являясь эфемерами,
обычно образуют специализированные покоящиеся клетки —эн-
доспоры, способные сохраняться в окружающей среде в течение
очень долгого времени.
В саморазогревающпхся субстратах может происходить раз-
витие термофильных актиномицетов. Они способны расти при
температуре 50°C и выше. Термофильные виды найдены среди
представителей родов Actinomad ига, Excellospora, Microbispora,
Micropolyspora, Pseudonocardia, Saccharomonospora, Streptomy-
ces. Thermoactinomyces, Thermomonospora. Для этих актиноми-
цетов характерно образование хорошо развитого мицелия и
спор, преобладающими являются моно- и олигосиоровые фор-
мы. Некоторые термофильные актипоминсты образуют термо-
устойчивые эндоспоры, подобные эндоспорам бацилл. Споры тер-
мофильных актиномицетов часто находят в почвах всех геогра-
фических зон, в речной воде, навозе, сточных водах, экскремен-
тах животных и человека. Опп были обнаружены даже в иско-
паемых илах, возраст которых около 100 тыс. лет.
Особенно широко распространены некоторые термофильные
представители спорообразующих бактерий из родов Bacillus и
Clostridium. Наиболее широко распространенным и хорошо изу-
ченным видом термофильных бацилл является В. siearolhcrmop-
hilus, имеющая оптимум роста при 50—65 , температурный мак-
симум некоторых штаммов 85°C. Термоустойчивость ее спор
выше, чем спор любых мезофильных бацилл, зато вегетативные
клетки при охлаждении до комнатной температуры тотчас по-
гибают. Споры В. stearothermophilus обнаружены в почвах всех
климатических зон и даже в глубине океанических осадков, воз-
раст которых исчисляется по крайней мере несколькими тыся-
челетиями.
Температура 55—60°C оптимальна для роста некоторых ви-
дов Clostridium. Широко распространен в природе CZ. thcrmocel-
1шп, осуществляющий сбраживание целлюлозы и гемицеллюлоз.
Эта бактерия играет важную роль в работе метантенков при
термофильном анаэробном процессе утилизации органических
отходов с образованием биогаза. Продукты сбраживания клет-
55
чатки ii других органических молекул различными термофиль-i
ными гетеротрофами используются в конце концов метанобра-?
зующими архебактсриями, среди которых много термофильных.
Среди образующих эндоспоры эубактерип термофильные;
штаммы, растущие при температуре от 45 до 70°C с оптимумом
при 55СС, обнаружены у анаэробных сульфатвосстанавливаю-
щих Desulfotomaculum nigrificans.
Споры термофильных бактерий рассеяны по всему земному!
шару. Они были найдены в образцах грунта Карского моря и
почвы с островов Диксон, Уединение, Новая Земля. Несколько
видов термофильных Bacillus обнаружены на Аляске в npooajj
почвы, песка, воды. По-видимому, бактерии были занесены в.
эти места животными и птицами, в экскрементах которых онф
находятся всегда в больших количествах.
Особенно многочисленны споры термофильных бацилл в,
обильно унавоженных почвах независимо от их географического)
положения.
Среди метанобразующих бактерий имеются термофилы и,
крайние термофилы. 52—53°С — температурный оптимум роста|
Alethanobacieriuni ruminantium, постоянно обнаруживаемой в!
составе микрофлоры рубца крупного рогатого скота и овец.
При температуре 60°С наблюдается рост штаммов Methanosar'-^
ciitu sp. — архебактерии, широко распространенной в илах, ком-г
постах и т. п. Температурный оптимум жизнедеятельности,
Methanococcus iannaschii — 85°C.
Постоянным местом обитания многочисленных и разно-»
образных термофильных бактерий являются термальные источ-i.
ники. Многие из них образовались очень давно, цх тсмпера-с
тура и химический состав не изменялись на протяжении мно-.
гих лет. Колебание температуры воды в течение суток состав-,
ляет менее 1 °C. Относительное постоянство температуры воды}-
в каждой точке источника является важным экологическим фак-;'
тором. По мере удаления от места выхода легочника вода осту-и
жается и создается определенный градиент температуры, в npe-f
делах которого развиваются различные микроорганизмы. •;
Распределение организмов в воде источника по мере удало-'
пия от места его выхода подчиняется ряду закономерностей. Halj
которые впервые обратил внимание в 1979 г. американский1
эколог Томас Брок. Так, эукариотические организмы — живот-,
ные, включая простейших, сосудистые растения и мхи — нс спо.у
собпы к развитию при температуре выше 50 °C. грибы и водо<;
росли—выше 55—60 °C. Верхний темперап р-нып предел для циан
нобактерий и других фототрофпых прокариот около 75°C. а ненг
которые иефотоспнтезируюшис прокариоты, и особенно ар.хсбак-т
терпи, способны к развитию при температуре 100°C и выше..
Верхний температурный предел для развития бактерий нс хста-.
новлеп.	I
Причины неспособности эукариот существовать при темпе--.
5G
ратуре выше 60°C пока нс выяснены. Предполагают, что это
может быть связано с тер.мочувствитслыюстью их цитомембран,
особенно мембран митохондрии.
Обитающие в термальных источниках бактерии не являются
эфемерами и многие нс образуют каких-либо специализирован-
ных покоящихся клеток. Среди обитателей источников много
нитчатых бактерий, снабженных к тому же слизистыми чех-
лами. Это способствует фиксации бактерий па стенках источ-
ника или образованию скоплений в определенных зонах в усло-
виях постоянного потока раствора питательных веществ.
Термальные источники разбросаны по всему миру: в Италии,
Греции, Турции, в ряде стран Африки, в Индии, Центральной
Азии, Индонезии, Исландии, Новой Зеландии, Японии. Районом
наибольшего сосредоточения термальных источников является
знаменитый гейзерный бассейн Йеллоустонского национального
парка в США, где их насчитывается до 10 тыс. В нашей стране
теплые и горячие источники расположены на Кавказе, в окрест-
ностях' Алма-Аты, Пржсвальска, Гудауты, Душанбе, а также
на Камчатке в районах Начики, Малки, Нижней Паратунки,
в Долине Гейзеров. Большинство термальных вод отличается
по содержанию растворенных веществ от воды озер и рек, со-
леность некоторых выше, чем морской воды.
В районах активного вулканизма распространены источники,
имеющие температуру, близкую к температуре кипения воды.
Так, температура некоторых источников Йеллоустонского на-
ционального парка в США достигает 95.5°C. Источники с бо-
лее высокой температурой воды — 98 99°C широко распро-
странены на Азорских островах. Температура воды 99—-101 °C
характерна для источников Новой Зеландии и Камчатки.
Т. Брок и Д. Дарлепд в результате обследования более 300 ис-
точников йеллоустонского парка, Новой Зеландии, Исландии и
Японии установили, что максимальная температура, при кото-
рой бактерии развиваются в источниках, зависит от значения
pH их воды. В источниках, где значение pH воды меньше трех
развитие бактерий происходит только при температурах не
выше 80°C. Экстремальных термофилов обычно обнаруживали
только в горячих источниках с нейтральной или щелочной сре-
дой. Тем не менее в природе существуют прокариоты, разви-
вающиеся при pH 1—2 и высокой температуре. Это прежде
всего архебактерии Thermoplastna acidophiluni и Sulfolobtis
cicidocaldarius. Предполагают, что чрезвычайная устойчивость
к кислой среде и высокой температуре у этих бактерий обеспе-
чивается особым составом их цитоплазматических мембран.
В горячих источниках развиваются термофильные эу- и архе-
бактерии, аэробные и анаэробные, фототрофиые, хемолитотроф-
ные и гетеротрофные бактерии. Субстратом для развития бак-
терий здесь могут служить соединения, содержащиеся в посту-
пающей из глубин воде, а также органические вещества и со-
57
единения серы, попадающие в источник из окружающей сред^
с более низкой температурой, где могут развиваться разно;
образные продуценты органического вещества. Особое значещи
в снабжении органикой термофильных сообществ имеют термо,
фильиые цианобактерии или, в кислых термах, ацидофильна}
красная водоросль Cyanidium caldarium. Вокруг термальнц
источников в областях с температурой ниже 75 СС цианобактё.
рии образуют плотные корки — маты, достигающие значител|
пой толщины и населенные сообществом разнообразных бакт|
рий. Наиболее термофильными, с максимумом роста около 75°Q
являются одноклеточная цианобактерия Synechococcus Hvidin
и нитчатая азотфиксирующая Mastigocladus taminosus. При
45—50°C наблюдается развитие разнообразных умеренно тер
мофильных цианобактерий. Видовой состав цианобактерий, раз.
вивающихся в термальных источниках на разных континента^
в общем, сходен.	5
В нейтральных и щелочных горячих источниках, богать^
сульфидами, наблюдается развитие фототрофной зеленой бак-
терии, способной осуществлять аноксигенный фотосинтез,—Chia,
roflexus aurantiacus. Это нитчатая ползающая бактерия с тем
пературиым оптимумом 50—60 и максимумом 75°C. При выс|>
ких концентрациях сульфида в среде Chi. aurantiacus осущес}
вляет фототрофный синтез, используя серу в качестве донор;
электронов, но легко может переходить к фотогетеротрофном]
или аэробному гетеротрофному типу питания.	j
Первой описанной экстремально термофильной грамотрицг
тельной эубактерией с температурным оптимумом 70—75°С я!
ляется Thermus aqualicus. Обильное развитие Thermus в гор£
чих источниках Йеллоустонского парка наблюдали Т. Брок, 1
X. Фриз. Неподвижные палочковидные клетки Thermus собран!
в нити. Позднее представителей рода Thermus обнаруживали!!
горячих источниках различных районов мира. В частности, в го
рячнх источниках Камчатки были найдены новые виды Thermus
Th.flavtis и Th. ruber. Интересно, что Thermus живут также1)
горячей воде бытовых сточных вод, обычно значительно удале»
ных от горячих природных источников.
В значительной степени благодаря работам американской
микробиолога Т. Брока в Йеллоустонском национальном пар»
в США в 70—80-е годы внимание многих исследователей бы.*
обращено на изучение микробных сообществ термальных воД
включающих экстремальные термофилы. В результате был о)
крыт новый мир микробов, развивающихся в местах выхо||
термальных вод при температурах до точки кипения водЬ
В связи со своеобразием мест обитания и физиологии этих ба^
терий их стали называть кальдерными (португ. caldera — кот^
вулканическая структура), или кальдоактивными (лат. с$
do — жара). Среди гетеротрофных аэробов описаны виды кал!
дерных бацилл: В. acidocaldarlus с оптимальной температур^
58
роста 60—65 ii максимальной 85°C была выделена из кислой
почвы, В. caldotenax, В. caldolylicus, В. caldovelax, имеющие оп-
тимумы роста в пределах 65—80 и максимум при 85°C, были
выделены из воды горячих источников. Грамоотрицательные
палочки, образующие пигменты каротиноидной природы, с опти-
мальной температурой роста 70—75 и максимальной 85°C, об-
наруженные в щелочном источнике Йеллоустонского парка,
были описаны как Thermomicrobiuin roseum.
Известны разнообразные кальдерпые анаэробные гетеро-
трофные бактерии с бродильным гликолитическим типом обме-
на. Это Thermoanaerobium brockii, Thermoanaerobacler ethanoli-
cus. Thermobacleroides acetoethylicus, Fervidobacterium nodosum.
Многие из этих бактерий населяют циапобактсриальпые маты.
Из горячего ключа в Японии выделена облигатно анаэроб-
ная грамотрицательпая бактерия Dictyoglomus fliermophilum,
сбраживающая углеводы с образованием уксусной и молочной
кислот и углекислоты. Палочковидные клетки D. thermophilum
собраны в группы в округлых телах, окруженных собственной
дополнительной оболочкой. Оптимальная температура для роста
D. thermophilum — 73—78, максимальная -80 и минимальная —
51 °C. Анаэробная эубактерия, сбраживающая глюкозу, обна-
руженная в ряде источников на морском дне и названная Ther-
motoga maritima, растет при температуре 55—90°C с оптиму-
мом около 80°C. Однако большинство экстремально термофиль-
ных бактерий, растущих при температуре выше 80°C, относятся
к архебактериям. Возможно, это связано с тем, что у архебак-
терий в мембранах вместо обычных фосфолипидов содержится
в качестве основного компонента дибифитанил-диглицерил-тет-
раэфир, образующий монослой и придающий мембране крайне
высокую тсрмоустойчпвость.
Почкующаяся анаэробная архебактерия Thermoproteus te-
пах, выделенная из термальных источников Исландии, имеет
температурный оптимум около 90 °C. Используя в качестве, окис-
лителя серу (акцептор электронов), эта бактерия может разви-
ваться за счет углеводов, спиртов, формиата, или молекуляр-
ного водорода. Сера служит акцептором электронов также для
Thermophilum pendens, архсбактерии, имеющей температурный
оптимум при 85—90 и растущей вплоть до 96 °C.
Архсбактерии Pyrodictium occullum и Р. brockii, выделенные
из глубоководного термального морского источника, лучше всего
растут при температуре 105°С, но выдерживают и 110°С при
давлении 260 атм. Анаэробные автотрофы, они развиваются за
счет молекулярного водорода, или СО, и серы, используемой в
качестве окислителя, могут расти и на органических субстратах.
Эти микроорганизмы имеют форму дисков около 0,2 мкм толщи-
ной, диаметр клеток варьирует в значительных пределах — от
0,2 до 2,5 мкм. Дисковидные клетки снабжены нитевидными вы-
ростами толщиной до 23 им, которые образуют развитую сеть.
59
Кстати, название рода Pi/rodictium означает «огненная сеть»
Нити представляют собой полые цилиндры, состоящие из сп^
рально упакованных субъединиц. Трехслойныс мембраны в обо.
лочке нитей нс обнаружены. Толщина этих оболочек составляв
2—3 нм. Нити обеспечивают фиксацию клеток на гранула^
серы, что может иметь важное значение в естественных условия!
обитания.
Pyrococcus [uriosus («неистовые огненные шарики»)—той#
морская архебактерия, растущая при 70—103 с тсмпературньп|
оптимумом 100 °C. Гетеротрофный анаэроб, она нуждается j
сложных органических средах.
К ацидофильным анаэробным термофильным архебакте-
риям относятся Desulfurococcus inucosus и D. mobilis, выделен-
ныс из кислых горячих источников Исландии. Бактерии расту)
при pH 2,2—6,5 и температуре 55 97°С с оптимумом при 85 °C:
используют белки, отдельные аминокислоты или углеводы, ак-
цептором электронов служит сера, восстанавливаемая до серо,
водорода.
Уже говорилось, что в районах выхода термальных вод про-
исходят локальные процессы круговорота серы, включающие
как ее восстановление, так и окисление. Термофильные бакте-
рии, окисляющие соединения серы, известны среди как эубактй
рий, так и ар.хебактерий. Sulfobacillus thermosulfidooxi'dans -4
аэробный грамположительный хсмолитотрофный микроорганизм
образующий эндоспоры. Бактерия окисляет серу и ее восстанов-
ленные соединения при pH 1,9—5.3. Оптимальные для ее жизне-
деятельности значения температуры около 55 °C, pH 1,9—2,4
S. thermosulfidooxidans часто можно обнаружить в горячи?
источниках Камчатки и острова Кунашир (Курильская гряда),
а также в зонах термогеиеза выщелачиваемых отвалов место-
рождений колчеданных руд.
Термофильная эубактерия, окисляющая соединения серы.
Thermothrix thiopara развивается в сернистых нейтральных ис-
точниках при температуре до 72—73°C.
Температурный оптимум роста архебактерии Sulfolobus act
docaldarius лежит в пределах 70—87 °C, она развивается пр!
pH 1—5 с оптимумом pH 2—3. Клетки этой бактерии часто не
правильной формы, иногда дольчатые, т. е. образуют лопастй
S.acidocaldarius хорошо растет в автотрофных условиях, окис-
ляя элементарную серу или сульфиды, но может питаться и ге
теротрофно, используя аминокислоты и сахара. S. acidocaldariu*
процветает в богатых серой кислых горячих источниках иеллс
устонского парка в США, Эль-Сальвадора и Доминпканско
республики. Исландии, Италии, Повой Зеландии. Японии, в ги;
ротермах вулкана Менделеева (остров Кунашир, Курильска
гряда) и Кальдеры Узопа (Камчатка).
Уже упоминавшаяся архебактерия Thermoplasma acidophilus
впервые была выделена из отвалов угольных шахт с темпера
60
турой 56°C и pH 1,9. Оптимальная температура для роста
| Th. acidophilum 56°С, минимальная — 45, максимальная — 62°С.
I Бактерия хорошо растет при pH 2—3, снижение pH ниже 1 или
 повышение до 5 вызывает се лизис. Клетки имеют вид нитей
и плеоморфных сфер диаметром от 0,3 до 1 мкм. Ригидная кле-
точная стенка отсутствует, тем не менее клетки нс лизируются в
дистиллированной воде.
В состав бактериальных сообществ термальных источников
входят метаногенные архебактерии. Экстремальный термофил
Methanotherinus fervidus, растущий при температуре 65—97
с оптимумом при 83°C, был выделен из горячего ключа в Ис-
ландии. Это строгий анаэроб и автотроф, окисляющий Н2 с об-
разованием метана. Используя в качестве окислителя углекис-
лоту, он также способен восстанавливать элементарную серу.
Метаноген, выделенный из термального источника, расположен-
ного на глубине 2600 м па востоке Тихого океана, - Methano-
coccus jannaschii, имеет оптимальную температуру роста 85°С.
Выше перечислено довольно много родов и видов термофиль-
ных бактерий, однако к настоящему времени их известно значи-
тельно больше.
В наши дни распространению в природе термофильных бак-
терий способствует человеческая деятельность. Развитие термо-
фильных бактерии происходит в метантенках при утилизации
органических отходов, в сбросах воды из охладителей электро-
станций, около линий теплоцентралей.
Совершенно особый интерес представляет изучение бакте-
рий, ассоциированных с геотермальными глубоководными
источниками — «черными курильщиками». Так называют сло-
женные сульфидами полиметаллов конические образования,
окружающие кратеры, из которых в воду изливаются гидротер-
мальные растворы. Они характерны для рифтовых зон средин-
.ноокеанических хребтов, по обнаружены и в окраинных морях.
Температура растворов, изливаемых «черными курильщиками»,
достигает 350°C; благодаря высокому давлению в глубинах
океана эти растворы не закипают. В воде, изливаемой «черными
курильщиками», обнаружены многочисленные жизнеспособные
клетки бактерий. Это мелкие короткие палочки, не отличающие-
ся какими-либо особенностями морфологии или ультраструк-
туры. Каков верхний температурный предел для жизни этих
бактерий, пока неизвестно.
Развитие бактерий при температуре, превышающей 100 °C,
еще совсем недавно казалось невероятным. Как теперь установ-
лено, некоторые бактерии, обитающие в глубоководных тер-
мальных источниках, в условиях лаборатории можно выращи-
вать при температуре 110 °C. Совершенно непонятно, как при
таких температурах макромолекулы клетки сохраняют структу-
ру, необходимую для осуществления ими жизненно важных
61
функций. Очевидно, что изучение этих бактерий вскоре приводе}
ко многим важным открытиям.
ПРИРОДА ТЕРМОУСТОПЧ11ВОСТИ БАКТЕРИИ
Полностью механизмы, определяющие устойчивость бакте.
piiii к высокой температуре, не выяснены, несмотря на огромное
количество проведенных в этом направлении исследовании. Уже
говорилось о значении для нормальной жизнедеятельности opraj
низма определенного состояния мембран. Температура плавле-
ния мембранных липидов возрастает с увеличением длины цепц
входящих в их состав жирных кислот. Поэтому не удивительно,
что у мезофильных бактерий преобладают жирные кислоту
с 15 углеродными атомами, у облигатно термофильных ба
цилл — с 15—17 или 16—17 атомами и у экстремальных термо-
филов— с 17—19 углеродными атомами. С повышением темп^
ратуры, при которой происходит развитие микроорганизма,
в мембранах снижается содержание ненасыщенных жирных кис-
лот. Вместе с тем в мембранах термофильных бактерий прео(|
ладают жирные кислоты с разветвленной цепью, хотя темпера-
тура плавления разветвленных кислот ниже, чем аналогичны!
неразветвленных. Предполагают, что с высоким содержанием 1
мембранах термофилов длинноцепочечных насыщенных жирны!
кислот с разветвленными цепями связана повышенная механи
веская прочность этих мембран. Действительно, липидные ком
плсксы мембран термофилов обладают большей прочностью н|
разрыв, чем подобные комплексы мембран мезофилов. Сред
жирных кислот с разветвленной цепью у термофильных байте
преобладают изоразветвлениые, тогда как у мезофильных — aij
теизо.* Точки плавления изо-Сию, изи-С1б:о и изо-Сгно соотвс?
ствешю равны 52,2, 62,4 и 60,5 °C, в то время как у антеизо-Сця
и антеизо-С17:о всего 25,8 и 38,0 °C.
Белки термофилов гораздо устойчивее к нагреванию в срав
нении с соответствующими белками мезофильных организмов
Часто высокая термостабильность достигается в результат
изменения первичной структуры белковой молекулы. Многи
белки термофилов стабилизируются при высокой температур!
вследствие усиления внутримолекулярных взаимодействий npi
замене отдельных аминокислот.	ж
При сравнении структуры ферредоксинов термофильных?1
мезофильных видов Clostridium было показано, что в повыиф
нии термостабильности этого белка важную роль играет увели
ченис в ключевых позициях числа аминокислот, содержат!?
свободные аминогруппы, что приводит к увеличению числа ио»

Общая формула С2Н5С(СНз)Н(С1-12)пСООН.
62
вых связей и повышению термостабилыюсти белка у термо-
фила.
При сравнении лактатдегпдрогепазы мезофильных и термо-
фильных Bacillus обнаружено увеличенное содержание основ-
ных аминокислот аргинина и лизина в активном центре у термо-
фила. Исследование ряда других ферментов бацилл показало,
что у термофилов в сравнении с мезофилами наблюдается за-
мена серин-треониновых аминокислотных остатков на более гид-
рофобные, например аланиновые.
Если высокая термостабильность белка обусловлена особен-
ностями его первичной структуры, то при очистке белка термо-
стабильность не должна снижаться. Однако некоторые белки
термофилов в очищенном виде не обнаруживают повышенной
термостабильностн. Необходимую стабилизацию подобных фер-
ментов обеспечивают кофакторы, субстраты, мембраны, внутри-
клеточная среда, содержащая сильно заряженные макромоле-
кулы.
Примером белка, стабилизированного субстратом и кофак-
торами, служит глутаминсинтстаза В. stearothermopliilus. Этот
фермент устойчив при температуре 70°С в течение 5ч в присут-
ствии глутамата, ионов Mg2i и NHJ", по быстро теряет актив-
ность при 65еС в их отсутствие. а-Амилаза термофильного акти-
номицета Therinoaclinomijces vulgaris сохраняет стабильность и
активность при температуре 70°C в присутствии ионов Са2+,
Одна молекула а-амилазы термофильной бактерии В. circulans
186 связывает 30 ионов Са2+, в то время как молекула а-ами-
лазы термотолсрантного и мезофильного штаммов В. subtilis
вдвое меньше. К тому же а-амилаза термофильных бактерий
содержит больше гидрофобных аминокислот, чем фермент ме-
зофилов.
Для некоторых термофилов характерно присутствие в клет-
ках специфических полнаминов. Спермин, спермидин и путрес-
цин стабилизируют ДПК В.stearothermophilis в условиях высо-
ких температур; термин и термоспермин стабилизируют аппа-
рат синтеза белка у Thermus. В последнее время у термофиль-
ных бактерий найдены полиамины, которые ранее не были из-
вестны. Так, в клетках Th. thermophilus обнаружен полиамин,
получивший название кальдоиентамин. Состав иолиампнов зави-
сит от температуры, при которой растет микроорганизм.
Для стабильности рибосом и корреляции конформационной
подвижности рибосомальных РНК с температурой среды боль-
шое значение имеет комплексировапие РНК с рибосомными
белками.
Транспортные РНК термофилов обладают исключительно
высокой термостабильностыо, что обусловлено повышенным со-
держанием Г—Ц пар и наличием модифицированных оснований.
Так, у Thermus aquaticus в фенилаланиновой, тирозиновой и
63;
формилметиопиповой тРНК вместо характерного для тРр(
Е. coli тимидина содержится 5-мстил-2-тиоурпдпн, в результат,
присутствия которого усиливается связь между соседними азо
тистыми основаниями. Кроме того, тРПК термофила в отличи,
от тРНК Е. coli стабилизируются низкими концентрация^
ионов Mg2+.
Синтез какого-либо фермента у бактерий обычно определи
ется одним структурным геном. Поэтому в культуре обнаружи
вают одну форму фермента. Некоторые термофилы способу,
образовывать ио крайней мере две формы одного и того же фер
мента, различающиеся тсрмоустойчивостыо. Так, В. stearolhet.
mophilus, растущий при температуре 37°C, образует а-амплазу
менее термостабильную, чем а-амилаза продуцируемая ей
клетками при 55°C. Аналогичные данные получены и для пиро,
фосфатазы. Клетки В. stearothertnophilus, выращенные при тем
пературс 37 °C, при 55 °C гибнут. Чтобы получить их рост пр,
55°C, необходима предварительная адаптация при 46°C, при ко
торой происходит замена форм ферментов на более термоста
бильные. После переноса клеток в среду с температурой 37°(
также наступает лаг-период, и бактерии становятся способны#
к размножению лишь после замены термостабнльных форм феЦ
ментов на термолабильные. Сходные данные получены для об
лигатиого термофила В. caldotenax и факультативного термо
фила В. licheniforinis.
У В. stearotherinophilus, выращенной при температуре 37 i
55°C, было определено содержание и тсрмостабпльиость ряд;
ферментов: алкогольдегидрогеназы, глицеральдегид-З-фосфатде
гидрогеназы, i люкозо-6-фосфат-дегидрогепазы, изоцитратдегид
рогеназы, сукцинатдегидрогеназы. Активность ферментов miKJf
трикарбоновых кислот в клетках, растущих при температур!
37 °C, была в 3,5 раза выше, чем в клетках, растущих при 55°C
Алкогольдегидрогеназа и глицеральдегид-3-фосфатдегидроге
паза присутствовали только в клетках бактерий, растущго
при 55°C. То есть клетки, растущие при температуре 37°C, о$
ладали почти исключительно аэробным типом метаболизма. Сле
дователыю, В. stearothermophilus проявляет разные типы мета
болизма при низкой и высокой температуре. Все изученные фер
менты бактерий, растущих при температуре 55°C, были болЯ
термостабильными, чем у бактерий, растущих при 37°C.	
Таким образом, некоторые ферменты термофильных бакт|
рий кодируются несколькими структурными генами, чем onpf
деляется синтез ферментов разной степени термоустойчивости
Характерной особенностью многих термофилов являются в?
сокис значения не только максимальных и оптимальных темп?
ратур для их роста, но и минимальных. При понижении темп?
ратуры ниже минимальной, видимо, происходят изменения <1
активной к неактивной ригидной конформации молекул одно4
64
или нескольких ферментов, играющих ключевую роль в мета-
болизме. Таким ферментом может быть, например, ДНК-зави-
симая РНК-полимераза. Для этого фермента, выделенного из
g.stearothermophilus, установлено, что при температуре 33°C
происходит резкий перепад энергии активации от 65кал/моль
при температуре ниже 33°C до 13кал/моль при температуре
выше 33°C, что означает значительное увеличение его катали-
тической активности. Минимальная температура может опреде-
ляться, по-видпмому, и некоторыми другими ферментами.
Как известно, с увеличением в ДНК числа Г—Ц пар осно-
ваний повышается значение температуры, при которой происхо-
дит денатурация ДНК. Однако корреляции между температурой
плавления ДНК и температурным оптимумом жизни вида не на-
блюдается. Подобная корреляция иногда обнаруживается лишь
при сравнении видов одного рода. Так, ДНК термофильных ба-
цилл содержит больше Г—Ц пар, чем ДНК. мезофильных форм.
Термостабпльность ферментов закодирована в их структур-
ных генах, и эти гены могут быть переданы в мезофильные
клетки. Так, при трансформации ДНК донора термофильного
штамма Bacillus sp. мезофильный реципиент B.subtilis приоб-
рел некоторые свойства термофилов: термостабильной оказалась
а-амилаза. Структурный ген термостабилыной а-амилазы был
встроен в хромосому В. subtilis в другом положении, чем собст-
венный ген а-амнлазы. Другие ферменты реципиента не обла-
дали термосгабпльностью.
Ген 3-нзопропилмалатдегидрогеназы экстремального термо-
фила Th. thermophilus клонирован в Е. coli. Рекомбинантная
плазмида была введена в клетки мутантного штамма кишечной
палочки, у которого отсутствовала упомянутая дегидрогеназа.
Клетки Е. coli, несущие ген термофила, продуцировали термо-
стабильную 3-нзопропил малатдегидрогеназу.
В результате генетических манипуляций мезофильные бакте-
рии могут приобрести способность к синтезу термоустойчивого
фермента, но термофильными не становятся. Очевидно, термо-
филия определяется многими генами.
В 60-е годы в СССР В. Я. Александровым и в США Т. Бро-
ком была высказана идея об экологическом значении уровня
конформационной гибкости белков и других макромолекул. Суть
ее такова.
Для нормального функционирования молекулы белков и ну-
клеиновых кислот должны обладать определенным уровнем кон-
формационной гибкости: макромолекулы должны быть не слиш-
| ком жесткими и не слишком лабильными. То же относится и
; к агрегатному состоянию липидов: они должны быть не слиш-
ком жидкими и нс слишком твердыми. Тем самым утверждается
общий принцип ссмистабильности или семилабильпости биоло-
гических макромолекул. Конформационные изменения макромо-
лекул (разрыв одних и установление других слабых связей) тем-
5 Заказ № 164
65
пературно зависимы, поэтому семилабильное состояние макро,
молекулы возможно лишь в ограниченном температурном интер.
вале. Значительное изменение температуры'среды нарушает оц.
тимальное соотношение лабильности и жесткости и тем самым
наносит ущерб биохимической полноценности макромолекулы.
Поэтому в природе в процессе эволюции видов поддерживается
корреляция между уровнем конформационной гибкости макро.;
молекул и усредненной температурой среды.
При адаптации организмов к более высокой температуре
существенным становится снижение конформационной гибкости
макромолекул; при адаптации же организмов к более низкой
температуре значение приобретает повышение конформацион-
ной гибкости макромолекул.
Однако конформационная гибкость макромолекул зависит не
только от температуры, но и от других факторов внутриклеточ-
ной среды. Поэтому если организмы приспосабливаются к среде
с иным содержанием солей, значением pH и гидростатического
давления и т. д., и если при этом надмолекулярные механизмы
адаптации не могут обеспечить гомеостаз внутриклеточной сре-
ды, то для поддержания нормального соотношения гибкости и
упругости макромолекул в новых условиях они должны быть
соответственно перестроены.
§ 7.	КОНЦЕНТРАЦИЯ ИОНОВ ВОДОРОДА
КИСЛОТНОСТЬ СРЕД ОБИТАНИЯ БАКТЕРИИ
Значение pH, как известно, определяет кислотность и щелоч-
ность растворов и представляет собой отрицательный логарифм
концентрации ионов водорода. Концентрация ионов водорода в
чистой пресной воде 10_‘г-ион/л и, следовательно, pH пресной
воды 7. Те значения pH, которые меньше 7, относят к кислот-
ным, а те, которые выше 7, — к щелочным. Следует помнить, что
pH — логарифмическая функция, поэтому раствор, который
имеет pH 5, будет в 10 раз «кислее» раствора с pH 6.
Кислотность среды является важным фактором, определяю-
щим существование в ней прокариот. Концентрация ионов ей
дорода в окружающей среде действует на организм или непО'
средственно (воздействие Н+ подробно рассмотрено ниже), ил«
косвенно, через влияние на ионное состояние и доступность мн®
гих ионов и метаболитов, стабильность макромолекул. Так, н<
пример, при низких значениях pH понижается растворимое}
углекислоты — источника углерода для автотрофных прокариот
а растворимость таких катионов, как Си2+, Мо2+, Mg2+, Al3’1’-
возрастает и достигает токсичных уровней. Наоборот, при вне#
ких значениях pH растворимость многих катионов, необходимы?
клетке (Fe2+, Са2Ь, Mg2-i", Мп2+), резко понижается, и они ста
66
новятся недоступными для организма. От значения pH зависит
состояние веществ в окружающей среде. Многие органические
кислоты в кислой среде находятся в недиссоциированной форме
и легко проникают в клетку, становясь токсичными для нее.
Кислотность различных природных субстратов весьма раз-
лична:
Желудочный сок, термальные серные источники, вул-
канические почвы —
Лимонный сок, дренажные рудничные воды —
Уксус, сок ревеня —
Сфагновые болота, кислые почвы, сок помидора —
Сыр, сок капусты —
Черноземные и каштановые почвы, сок креветки —
Пресная вода —
Морская вода —
Щелочные почвы, экскременты животных, разлагаю-
щийся белок —
Щелочные озера, мыльные растворы —
Щелочные источники, бетон —
Насыщенный раствор извести —
pH	1
pH	2
pH	3
pH	4
pH	5
pH	6
pH	7
pH	8
pH	9
pH	10
pH	11
pH	12
В Мировом океане и большинстве пресных водоемов значе-
ние pH колеблется в довольно узком диапазоне и благоприятно
для роста большинства прокариот. Довольно часто встречаются
умеренно кислые природные среды с pH около 3—4. Это многие
озера, кислые болота, некоторые истощенные почвы. Среды
с более низким значением pH чрезвычайно редки; pH 2 имеют
обычно терриконы угольных шахт, дренажные воды, рудничные
стоки. К наиболее кислым из природных сред относятся воды
вулканических горячих кислых источников и окружающие их
кислые почвы, pH которых может достигать 1.
Щелочные условия создаются в почвах, обогащенных мине-
ралами, экскрементами животных. Щелочная реакция почв мо-
жет быть результатом полного окисления органического веще-
ства в условиях повышенной аэрации и высокой температуры.
В таких почвах значение pH может достигать 10. Обнаружены
также щелочные озера и источники, pH которых 8—II.
Границы значений pH, оптимальных для роста различных
представителей прокариот, находятся в пределах приблизительно
от 1 до 11. В зависимости от отношения к кислотности среды
прокариоты могут быть разделены на несколько групп. Для
роста подавляющего большинства прокариот оптимальной яв-
ляется среда, близкая к нейтральной. Такие организмы назы-
вают нейтрофилами. Однако рост многих нейтрофилов возмо-
жен в средах, значение pH которых лежит в диапазоне от 4 до 9.
Типичными нейтрофилами являются штаммы E.coli, В. subtilis,
Streptococcus faecalis. Многие нейтрофилы способны расти или
выживать при значениях pH, лежащих за пределами указанного
диапазона. Такие прокариоты считаются кислото- или щелоче-
5*
67
устойчивыми — толерантными. К кислотоустойчивым отиосято
многие бактерии, продуцирующие органические кислоты, напри*
мер уксуснокислые, молочнокислые и др. Щелочетолерантны}
т. с. устойчивы к значениям pH близким к 9—10, многие из эц
теробактерий.
У некоторых видов бактерий адаптация к определенным зцд
чениям pH среды привела к тому, что оптимум pH для роста
переместился в кислую (pH 4 и ниже) или щелочную (pH от g
и выше) области. Такие прокариоты названы ацидо- или алкц
лофильными (кислото- или щелочелюбивыми) соответственно
(табл. 7). Среди бактерий обеих групп есть облигатные формы,
потерявшие способность расти в нейтральной среде, и факуль-
тативные, сохранившие эту способность.
Таблица 7. Облигатно ацидофильные и алкалофильные прокариоты (по: Padan е. а., 1981, СоЫеу, Сох, 1983)	i		
Виды	Значения pH	(1	
	в среде, оптималь- ной для роста	в цитоплазма
Suljolobus acidocaldarius Thiobacillus acidophilus Thiobacillus ferrooxidans Thiobacillus kubobis Thiobacillus organoparus Thiobacillus thiooxidans Bacillus acidocaldarius Bacillus coagulans Coxiella burnetii Thermoplasma acidophilum Bacillus pasieurii Sporosarcina ureae Bacillus alcalophilus Bacillus firmus Примечание. Пропуск означает отсутс	‘-’,0-3.0 3 -3.5 1,8-2,4 2.4 3.0 2.5 3.0 3.5 - 4.0 4.5 5.0 1,8 9,0 9,0 10,5 9-10,5 типе данных.	5,6 6.3 6.5 6.2 6.6 6,5	; 9-9,5 > 9.5
К облигатным ацидофилам относятся некоторые виды род?
Thiobacillus. Так, Th. thiooxidans, окисляющая элементарную с&
ру и некоторые ее соединения, является, вероятно, самой кисло-
тоустойчивой среди бактерий. Оптимальное значение pH для ев
роста 2,0—3,5, верхний предел — 6,0, нижний -0,5. Th.ferrooxi'
dans, способная окислять не только соединения серы, но и за-
кисное железо в окисное, имеет оптимум развития при pH 2,5-®
5,8, но ее рост возможен в пределах pH 1,4—6,0. Уже были уп®
мянуты термофильные ацидофильные бактерии Bacillus acidk
caldarius, Sulfolobus acidocaldarius, Thernioplasma acidophilus
Как алкалофильныс давно известны так называемые уробай
68
терии, развивающиеся в субстратах, богатых мочевиной, и обра-
зующие фермент уреазу, гидролизующую мочевину с образова-
нием аммиака и углекислоты. Интенсивное накопление аммиа-
ка— результат развития этих бактерий — сильно защелачивает
среду. Считают, что защелачивание среды способствует элими-
нации конкурентов уробактерий, не способных выносить столь
высокие значения pH и концентрации аммиака. К алкалофнль-
ным уробактериям относится В. pasteurii, развивающаяся при
pH 8,5 и выше, и Sporosarcina игеае, растущая при pH не ни-
же 8,5. Последнюю всегда можно обнаружить в скоплениях раз-
лагающейся мочи. В. alcalophilus, выделенная из фекалиев и вы-
сохшей сточной грязи, растет в диапазоне pH 9—11,5; B.firmus
выделена из почвы и имеет оптимум роста при pH 9—10,5.
Цианобактерии хорошо растут в природных средах с pH 7,5 —
10. Для некоторых из них оптимум pH лежит около 10.
Способность к росту при низких или высоких значениях pH
обеспечивает организму определенные преимущества, так как в
»тих условиях мала конкуренция со стороны большинства дру-
гих организмов. Однако некоторые бактерии — облигатные фор-
мы— не просто переносят высокие концентрации Н+ или ОН~,
но и нуждаются в этих ионах для роста и стабильности, т. е.
это результат эволюционной адаптации. Так, Thermoplasma aci-
dophilum лизируется при pH выше 5,0.
В природе можно наблюдать развитие бактерий при pH от
1 до 11, тогда как диапазон значений pH их цитоплазмы варьи-
рует в гораздо более узких пределах. Большинство типов бел-
ков и других макромолекул бактериальной клетки стабильны и
активны в ограниченном диапазоне значений pH, близком к 7,0.
Это справедливо и в отношении ферментов, изолированных из
облигатных алкалофилов и ацидофилов. Поэтому для осущест-
вления процессов жизнедеятельности бактерии необходимо под-
держание стабильного значения pH внутри клетки (pH,), не-
смотря на изменения pH в окружающей среде (рН0) в более
или менее широком диапазоне.
У всех известных ацидофилов значение pH,- поддерживается
около 6,5, у нейтрофилов — 7,5 и у алкалофилов — 9,5.
До настоящего времени окончательно не выяснено, какие ме-
ханизмы обеспечивают стабильность pH, а какие активное раз-
множение бактерий при высоких и низких значениях рП0. Есте-
ственно, что наиболее совершенными такие механизмы должны
быть у облигатных ацидофильных и алкалофильных бактерий.
Среди облигатных ацидофилов четко выделяются две физио-
логические группы. К первой относятся микроорганизмы, расту-
щие в кислой среде при умеренных температурах (мезофильные
ацидофилы). Сюда входит ряд представителей рода Thiobacil-
"lus. Вторую группу образуют термофильные ацидофилы B.aci-
docaldarius, S. acidocaldarius, Thermoplasma acldophiliim.
69
Изучение структуры, химического состава клеточной стенки и
мембран тиобацилл показало, что их строение типично для
грамотрицательных прокариот. У тиобацилл не обнаружено ка|
ких-либо специальных структур или химических компонентов
ответственных за ацидофилию.	«
У термофильных ацидофилов наблюдается значительное ра|
нообразие в строении и химическом составе клеточной стенки
и мембран. Так, клеточная стенка 13. acidocaldarius построена из
типичного для грамположительных бактерий пептидогликана.
Клеточная стенка архебактерий S. acidocaldarius состоит из р$
гуляино расположенных на клеточной поверхности белковые
субъединиц, прочно связанных с цитоплазматической мембраной
пептидогликана в составе ее клеточной стенки не обнаружено.
У Thermoplasma acidophilum вообще нет клеточной стенки.
В мембранах термофильных ацидофильных бактерий обна^
ружены липиды необычного химического строения. У B.acidA
caldarius это эфиры глицерина и жирных кислот, содержащи|
циклические группы. У S. acidocaldarius и Th. acidophilum — ли-
пиды, содержание в качестве основного компонента дп-бифита-
нил-диглнцернл-тетраэфир с длинной цепью атомов углеро-
да— С4о- Такие липиды образуют монослойную мембрану, обла;
дающую чрезвычайно высокой стабильностью. Кроме того,
у двух последних организмов фосфолипиды представлены исклк^
чительно углеводными производными — фосфогликолииидами'
Наибольший интерес в этом плане представляет Th. acidophiluni
цитоплазматическая мембрана которой, непосредственно контак-
тирующая с внешней средой, горячей и кислой, отличается не;
обычайной прочностью: не разрушается при нагревании почти
до 100°С, обработке неионными детергентами, некоторыми фор
ментами (например, проназой), ультразвуком. Считается, что
мембрана Thermoplasma — наиболее жесткая из всех известных
клеточных мембран.
Особенности строения и химического состава мембран и сте
пок ацидофильных архебактерий нельзя прямо связать с и:
ацидофильностью, потому что эти особенности вообще характер
вы для представителей царства архебактерий, а ацидофильны!
виды эубактерий — Thiobacillus — имеют обычный для грамот!
рицательиых бактерий химический состав клеточных стенок !
мембран.	J
У облигатных алкалофилов пока также не обнаружено ка-
ких-либо особенностей в строении и химическом составе их кл|
точных стенок и цитоплазматических мембран, которые могл?
бы объяснить не только устойчивость к высоким концентрациям
ионов ОН-, но абсолютную потребность в них.	ш
Таким образом, пока нс выявлено никаких структур или кох®
понентов клеточных стенок и мембран, которые коррелировал!
бы с кислотными или щелочными условиями существования
бактерий.	'	’	|
70	I
МЕХАНИЗМЫ pH-ГОМЕОСТАЗА
Ведущую роль в поддержании определенного значения pH в
цитоплазме клеток, т. е. pH-гомеостазе, играют протонные пом-
пы, работа которых зависит от значения как внутриклеточного
pH, так и pH в среде.
pH-Статная функция протонных помп установлена для бак-
терий, развивающихся при различных значениях pH: Esche-
richia coli, Streptococcus faecalis, llalobacterium salinarium, Ba-
cillus subtilis, B. acidocaldarius, Thiobacillus ferroxidans и др.
Работа протонных помп связана с образованием трансмем-
бранного электрохимического потенциала — Арп+, который со-
стоит из электрического Лф (трансмембранная разность элек-
трического потенциала) и химического — А pH (градиент кон-
центрации П+) компонентов:
Д|*н+ =	— /ДрН,
где Z— коэффициент для перевода единиц pH в милливольты,
Z=2,303 RT!F=—60 мВ при 25°С (/? газовая константа,
Т—абсолютная температура, F— число Фарадея).
У прокариот выявлено несколько биологических генерато-
ров Лрн-г-
У аэробных бактерий Дрц+ генерируется в процессе аэробно-
годыхания. В этих случаях перенос протонов через мембрану
связан с потоком электронов в мембранных электронтранспорт-
ных цепях.
У анаэробных бактерий Дин- генерируется АТФазпыми комп-
лексами. Мембранно-связанная Независимая АТФаза ныталки-
“зяет протоны из клетки. Этот процесс энергизуется АТФ, обра-
зованной в процессах субстратного фосфорилирования. Такой
способ получения энергии происходит при участии растворимых
ферментов, т. е. ферментов, не связанных с мембранными струк-
турами клетки.
У многих прокариот \_mi-i генерируется в процессе истечения
во внешнюю среду продуктов брожения, транспорт которых че-
рез мембрану происходит вместе с протонами. Молочнокислые
стрептококки, например, таким образом могут получать до 30%
энергии.
У некоторых прокариот обнаружена локализованная в мем-
бране, неорганическая пирофосфатаза, катализирующая расщеп-
ление и синтез пирофосфата. Расщепление последнего приводит
к генерированию Ащн •
Три других генератора зависят от света. К ним относятся
бактериородопсин — уникальный пигмент галофильных бакте-
71
рий —и фотосинтетические системы пурпурных бактерий и ци’
нобактерий.
Для ряда ацидофильных, нейтрофильных и алкалофильцц
бактерий были определены значения Дцц+ (рис. 9).	J
У нейтрофилов — E.coli, S.faecalis, В. sublitis, Micrococci
lyzodeiklicus A|iji+ в среднем равен — 170 мВ и представлен од
J 5	7	9 И рНс
Рис. 9. Биоэнергетика ацидофилов (а), нейтрофи-
лов (6), алкалофилов (о) (по: Padan е. а.. 1981:
Krulwich, Lewis, 1981).
ими компонентами — Аф и А pH. Причем в оптимальных услов!};
ях внутренняя поверхность цитоплазматической мембраны заря:
жена отрицательно, а в клетке среда более щелочная, чем
снаружи.	|
У ацидофилов — Th. ferrooxidans, В. acidocaldarius при рНо!
н+имеет высокие значения — 270 мВ. Однако протопдвиж)|
щая сила представлена главным образом одной своей состав;
ляющей — А pH; Аф имеет низкие значения, а внутренняя пб:
72
верхность цитоплазматической мембраны заряжена положи-
тельно.
У алкалофильных бактерий — В. alcalophilus, B.firmus Арн*
равен —50 мВ. Протондвижущая сила у алкалофильных бакте-
рий представлена главным образом одной своей составляющей
Дф, а А pH имеет очень низкие значения и обратный знак, т. е.
концентрация Н+ в цитоплазме выше, чем в окружающей
клетку среде.
Таким образом, значения Дцп+ и его составляющих Дф и
А pH различаются у нейтрофилов, ацидофилов и алкалофилов.
Биоэнергетика прокариот зависит от экологического фактора —
pH окружающей среды.
Так, оптимальный рост E.coli наблюдается в диоипЗии< pll0
6—8, в котором Арш- также мало зависит от pH среды, как и
интенсивность дыхания клеток, что подтверждает постоянство
работы протонных помп.
Значение Дрн+ при рНо 6 и 8 равно —200 и —140 мВ соот-
ветственно. Однако составляющие Дрц+ сильно зависят от pH
среды:
9.0
7,6
1,2
Из приведенных данных видно, что по мере уменьшения А pH
(рИо минус pH,) возрастает значение Дф, и при значении рНо
выше 7,6 мембранный потенциал резко увеличивается. Знак за-
рядов на внутренней поверхности цитоплазмы сохраняется отри-
цательным (Дф направлен в клетку), тогда как знак А pH изме-
няется на противоположный. Последнее означает, что в цито-
плазме концентрация ионов водорода больше, чем в среде, окру-
жающей клетку.
Для обеспечения клеток энергией протонные помпы ориенти-
рованы на выброс Н1' в среду. Одновременно с ними функцио-
нируют помпы, переносящие Нь в клетку, и скорость работы
этих насосов зависит от изменения pH в среде. Это катион Н+-
помпы: Na+/H+- и К+/Н+-антипорт.
Электронейтральпый Na+/H'-аптипорт обеспечивается про-
тонной помпой за счет А pH, а именно; Nab выводится из клет-
ки, а Н+ возвращается в клетку. По мерс подщелачивания сре-
ды (и, следовательно, уменьшения А pH) pH в клетке поддер-
живается постоянной (не повышается) в результате увеличения
скорости антипорта Na+ZH’, т. с. скорости возврата в клетку
ионов Н+. При значении pH среды 7,6 АрН = 0. При этих усло-
виях, а также, когда pH выше 7,6, положительно заряженные
протоны поступают в клетку путем электрогенного антипорта
73
3H+/2Na+, который эиергизуется второй компонентой Ацн+
мембранным потенциалом (Аф).
К+/П'-антипорт является важным механизмом, контролирую,
щим величину pH в клетках Е. coli. Будучи электронейтраль,
ным К+/Н '‘-антипорт зависит от А рН-компонеиты \цн + в услЬ.
внях, когда pH среды ниже pH цитоплазмы клетки. К^/БН-ац.
тппорт электронейтралеи и при рН0 выше 7,6. В этих условия)!
движущей силой является градиент концентрации ионов К: коц.
цеитрация К1' в клетке должна быть больше, чем в среде. На.
копление ионов К в клетке обеспечивается работой К-АТФазц
использующей энергию АТФ. Калий совершенно необходим для
роста Е. coli, но К'/Н+-антипорт эффективно обеспечивает pH.
гомеостаз лишь при невысокой концентрации К^ в среде.
Таким образом, в регуляции pH, нейтрофилов участвуют nt
крайней мере три протонных насоса; протонные помпы, кот$
рыс обеспечивают клетки энергией и всегда ориентированы на
выведение Н+ так, чтобы цитоплазма была более щелочной, чец
окружающая среда; ;\'а+/Н+-антипорт, который выводит Na+ из
клетки в обмен на П', и К+/Н+-аптипорт, который удаляет К4
из клетки в обмен на НК Работа протонных помп зависит оз
условий среды. Так, при высокой концентрации 1\~ в среде фуню
ционирует исключительно Na+./П'-антнпорт, а К+/Н'-антипод
преобладает в условиях низкой концентрации калия в среде. J
У ацидофилов в цитоплазме поддерживается pH 6 или ш|
шс, поэтому А pH достигает очень больших значений; рН-го
меостаз у ацидофилов в некотором диапазоне значений рН|
обеспечивают так же, как у нейтрофилов, протонные помт|
Однако при экстремальных значениях рНо подкислению цито-
плазмы препятствуют другие механизмы, эффективность ко-
торых не зависит от доступности энергии. Так, Thiobacillus
thiooxidans способна поддерживать pH,- 6,5 в диапазоне pH
от 1 до 8:
рН„:
pH,:
Д pH:
6,5
5.5
71
2	3	8
6,5	6,5	6,5
4,5	3,5	2,5
+ 10	0	-170
При изменении рНи сильно изменяется значение трапсмеМ'
бранного потенциала. По мере снижения рНо значение Аф
сначала понижается и при рН0 ЗАф=0. При более пизкМ
рНо внутриклеточная сторона мембраны приобретает положи
тельный заряд, и тем больший, чем ниже рПо- Инверсия знай
заряда происходит за счет поглощения клетками апидофилЧ
катионов. Положительный заряд внутриклеточной стороя|
мембраны препятствует входу протонов в клетку даже пр?
очень высоких значениях А pH; положительный Дф регулирУ
ет вход Н+ в клетку в соответствии со скоростью метаб4
74
лизма. Переход клеток ацидофилов от метаболически актив-
ного состояния к неактивному сопровождается резким увели-
чением положительного заряда внутренней стороны мембра-
ны. Сохранение высоких значений ДрН у ацидофилов, види-
мо, не требует затраты энергии. Так, голодавшие в течение 22
дней и уже маложизпеспособиые клетки Thiobacillus acidophilus
сохраняли А pH 2—3. Гибель ацидофилов при голодании, оче-
видно, не связана с подкислением цитоплазмы, а, скорее, зави-
сит от истощения энергии в клетках.
Способность ацидофилов длительное время сохранять поло-
жительный Аф обеспечивается удержанием в клетке катионов,
например, у Thertnoplastna acidophilum концентрация внутри-
клеточного К+0,4М. Это пассивный процесс, поскольку высо-
кое значение Аф может поддерживаться в отсутствие дыха-
ния, клеточного АТФ и активности АТФазы и даже у нежиз-
неспособных клеток.
Алкалофильные бактерии растут при рНо выше 8,5—9,0.
Например, Bacillus alcalophilus растет в диапазоне рНо от
9,0 до 11,5 с оптимумом при рНо 10,5. При этих значения
рНо сохраняется постоянным рН;:9,0—9,5. Изменения значе-
ний составляющих протондвижущей силы в зависимости от
величины рНо указаны ниже:
рН0:	9.5	11.5
pH/:	9.0—9.5	9.5
АрП:	0	2
Дб:	- 84	—152
При рНо 9,5 А pH 0, при более высоких значениях рНо кон-
центрация протонов в клетке становится, выше, чем в окру-
жающей среде, т. е. ДрН меняет направление и повышается
с ростом рНо. По мере увеличения рНо возрастает электриче-
ский потенциал. Обе составляющие Ацн, (ДрН и Аф) оказы-
ваются разнонаправленными.
pH-Гомеостаз облигатно алкалофильпых бактерий обеспе-
чивается Ка+Д-П’-антипортом, поэтому этн бактерии нуждаются в
Na+. Если клетки В. jirtnus помещали в буфер с pH 10,5 в от-
сутствие натрия, pH,- возрастал с 9,5 до 10,5, и клетки быст-
ро погибали. Na’/Н+-антипорт поддерживает стабильное зна-
чение pH,- в условиях высоких значений рНо, при нейтральном
рНо антипорт неактивен. Дыхательные цепи алкалофильных
бактерий приспособлены к щелочной среде. Первые доказа-
тельства этого были получены в 1982 г. японскими исследова-
телями. В щелочной среде из цитоплазмы морских бактерий
Vibrio alginolyticus и V. harvey выводятся ионы Na-+ непо-
средственно в результате работы дыхательной цепи, а обра-
зующийся при этом натриевый потенциал клетки используют
для выполнения различной работы. Трансмембранный потенци-
ал ионов натрия Аиоо у алкалофилов обеспечивает синтез
75
АТФ, транспорт, работу жгутиков, т. е. выполняет функцд
протондвижущей силы других бактерий. Ац.\-а* генерирует^
н дыхательной цепи, вероятно, на этапе между ПАДИ и хиэд
иом при работе НАДН-мепа(уби)хипоноксидоредукта.зы.
В. П. Скулачев в 1984 г. постулировал существовал^
Na'-АТФазы в мембране щелочетолерантных бактерий, кот0
рая может генерировать Арка» в анаэробных условиях, ис
пользуя АТФ, образующийся в процессе гликолиза, и може;
синтезировать АТФ с затратой А рха+ .
Таким образом, у алкалофильных бактерий основным коц.
понентом механизма гомеостаза pH, является электрогеинщ
Иа+/Н+-антипорт, катализирующий поступление в клетку Д
при выкачивании из нее Na+ в процессе дыхания. Этот анти,
порт обеспечивает поддержание относительно кислой цито-
плазмы при значительном защелачивании окружающей клег;
ку среды. Для алкалофильных бактерий характерны низкие
значения протондвижущей силы, что связано е неблагоприят-
ным эффектом трансмембранного градиента А pH (pH в клет-
ке ниже, чем в окружающей щелочной среде). Поэтому ре
тающую роль в биоэнергетике алкалофплов играет \а+-дв»
жущая сила — Арктн .
РЕГУЛЯЦИЯ pH СРЕДЫ	;
При развитии многих аэробных и анаэробных бактерий про
исходят изменения pH среды, которые могут быть для бакте
рий благоприятными или неблагоприятными. Уже упомин|
лись уробактерии, активно подщелачивающие среду, что огра-
ничивает возможность развития их конкурентов. При развитии
бактерий, образующих в процессе метаболизма кислоты, про
исходит подкисление среды. Уксуснокислые, молочнокислые i
др. бактерии таким образом также устраняют конкурентов
Продуценты органических кислот обычно относительно устой|
чивы к кислоте, но возможность регулировки внутриклеточ-
ного pH у них ограничена. Это связано с тем, что такие сла-
бые органические кислоты, как уксусная и масляная, пр»
низких значениях pH среды находятся в недиссоциированноЯ
форме, свободно проникают в клетку, и гомеостаз внутрикле»
точного pH становится невозможным. У многих бактерий, ой
разующих органические кислоты, функционируют регулятор
ные механизмы, ограничивающие накопление кислот в клеъ
ке при низких значениях pH среды. Так, Clostridium
acetobutylicum и другие виды Clostridium в процессе сбражИ1
ваиия углеводов образуют масляную кислоту до тех пор noitf
pH внутри клеток не снизится до 5,7—5,5, затем в качеств
основного продукта брожения начинает накапливаться пейтг
ральный /г-бутанол.
Облигатно анаэробная бактерия Sarcina ventriculi способ^
76
развиваться в пределах pH 9,0—2,0, при этом pH внутри ее
клеток изменяется от 7,6 до 4,3. S. ventriculi сбраживает глю-
козу с образованием этанола, ацетата и водорода. Бактерия
лучше растет в кислой среде, где мембранный Арп. выше. При
нейтральных значениях pH у этой бактерии доминирует «кло-
стридиальный» ферредоксин зависимый путь метаболизма пи-
рувата с образованием ацетата и водорода. В кислой среде
д pH =7,3
дф=38 мВ
pH 7,0
Глюкоза
Д pH = 0,7
дф = 67м0
Рис. 10. Зависимость метаболизма Sarcina ventriculi от pH среды (по:
Goodwin, Zeikus, 1987).
функционирует «дрожжеподобный» механизм декарбоксилиро-
вания пирувата с образованием СО2 и этанола (рис. 10). На-
правленность метаболизма регулируется значением внутрикле-
точного pH и концентрацией в цитоплазме продуктов брожения.
У ряда бактерий, в том числе у Pseudomonas aeruginosa и
стрептококков, обнаружена аргининдезаминазная система, пре-
дохраняющая клетки от повреждения при подкислении среды,
Эта система катализирует катаболизм аргинина с образовани-
ем аммония, СО2, орнитина и АТФ и сохраняет активность в
кислой среде при значениях pH, ниже минимальных, для глико-
лиза и роста соответствующих бактерий. Катаболизм аргинина
Streptococcus [aecium наблюдали при pH 2,5, хотя минималь-
ные значения pH для роста и гликолиза этой бактерии 4,8 и
4,5 соответственно. При низких значениях pH аргининдезами-
назная система стрептококков дерепрессируется, и в присутст-
вии аргинина среда подщелачивается, что может спасти клет-
ки от гибели. Так, в среде с pH 3,5 наблюдали быстрое отми-
рание клеток Streptococcus rattus, но если в среду вносили 1%
зргинина, то значение pH среды за 6 ч возрастало до 6,7 и от-
мирания клеток не происходило.
17
§ 8.	ВОДНАЯ АКТИВНОСТЬ
ОСМОТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА растворов
водные рас
воды — это

' Без воды не может быть жизни, во всяком случае в
обычном ее понимании. Обмен веществами между бакт<
ной клеткой и средой обычно идет через
Клетки метаболически активных бактерий должны быть
крайней мере окружены водными пленками.
В природе, не бывает химически чистой
растворы, содержащие те или иные соединения в разных ко,
центрациях, вода также взаимодействует с поверхностями а
растворенных субстратов. Степень доступности воды для хим,
ческих реакций и '.микроорганизмов определяют показателе
активности воды который характеризует степень связан»
стн ее молекул. Активность чистой свободной воды равна ед|
нице. При взаимодействии воды с поверхностями, анионами
катионами, любыми гидрофильными группами активность в<
становится меньше единицы.'
Активность воды определяют по формуле:
Р _ ов п2
aw “° Ро = 100 ~ ГЬ - Па ’
где Р—давление водяного пара в исследуемой системе, Л
давление пара над чистой водой, ОВ — относительная вл;
ность воздуха в системе, П> — число молей растворителя, П
число молей растворенного вещества.
/Значение водной активности снижается при повышении ко]
цеитрации растворенных веществ (табл. 8).)
В почвенной микробиологии состояние оводненности чаш
всего выражают в терминах энергетических отношений: водны
потенциал (ф)— количество термодинамической работы, коп
рая должна быть затрачена организмом для извлечения воды
Потенциал воды измеряется в барах (1 бар=106 дин-см2=
= 0,987 атм = 75 см. рт. ст.). Потенциал чистой воды 0. По отШ
шению к чистой воде все растворы имеют отрицательный пс
тенциал.
Микроорганизмы могут расти на средах со значениями
0,99—0,60. Большинство микроорганизмов не может расти nfl
активности воды ниже 0,95, и не обнаружены микроорганизм
растущие при активности воды ниже 0,60. Минимальные знаш
ния aw для роста разных видов микроорганизмов даны 
табл. 9. Как можно видеть, лучше всех микроорганизмов Пр
низкой aw растут мицелиальные грибы и дрожжи. Большинст?
бактерий нуждаются для своего развития в среде с более $
соким'И значениями aw (0,99—0,90).	ж
Водная активность раствора может изменяться двумя луЯ
ми — матричным и осмотическим. Осмотическое изменение d
происходит в результате взаимодействия молекул воды с ра<?|
7.8
вореннымп веществами; матричное изменение av обусловлено
адсорбцией молекул воды на поверхностях твердых субстратов,
интенсивность адсорбции определяется их химическими и физи-
ческими свойствами. Если влажность субстрата и окружающей
атмосферы уравновешена, то aw адсорбированной воды будет
такой же, что и aw в атмосфере.
Таблица 8. Водная активность (aw) н водный потенциал (<р)
для растворов некоторых веществ при 25 °C (Brock, 1979)
<>W		Концентрации, > 100 мл воды		
		NaCI	Сахароза	Глицерин
0,995	— 7	0,86	0,92	0,26
0.980	— 28	3,5	3,42	1,0
0,960	- 66	7,0	6,5	2,0
0,900	-145	16.2	14,0	5,1
0,850	-210	23,0	20,5 (насыщ.)	7,8
0,800	- 307	30,0 (насыщ.)	—	10,5
0,700	.—	—	—	16.8
0,650		—	—	20,0
Потребность в воде у микроорганизмов и толерантность к
ее дефициту зависит от сопутствующих экологических факто-
ров и, в частности от температуры. Наибольшая устойчивость
Таблица 9. Значения водной активности (aw), лимитирующие рост
некоторых микроорганизмов (Brock, 1979)
aw	Бактерии	Дрожжи	Мицелиальные грибы	Водоросли
1,00 0.95	Caulobacter Spirillum Многие грамиоло-	Basid	omycetes	Большинство
0,90	жптелыше палоч- ки Многие кокки	Ascomycetes		групп
0,85 0,80 0,75	Lactobacillus Bacillus Staphylococcus Halobacterium	Debariomyces Saccharomyces bailii	Penicillum W'allemia	Dunaliella
0,70 0.65 0,60	Halococcus	Saccharomyces rouxii	Aspergillus Chrysosporum Xeromyces bisporus	
79
микроорганизмов к низким значениям aw наблюдается в усдц,
виях температурного оптимума. При отклонениях от него ни^
ний уровень aw обычно повышается.
Часто считают, что влияние концентрации растворов на poq
опосредовано влиянием осмотического давления. В действу
тельности оно сказывается на изменении водной активности ка$
меры доступной для организма воды.
Цитоплазматическая мембрана — полупроницаемая перег^
родка, через которую вода свободно переходит по градиенту
концентрации солей. И если содержание солей вне клетки ока.
жется выше их концентрации в клетке, то вода будет выходит!
из клетки.
Для того чтобы вода поступала в клетку, цитоплазма дол^
на содержать низкомолекулярные вещества и ионы в более вы-
сокой концентрации, чем окружающая клетку среда, ее осмоля^
ность должна быть выше осмолярности окружающей средц
В единицах осмолярности выражают осмотическое давление
раствора. Осмолярным называют раствор, содержащий одад
осмоль вещества в 1 л растворителя. Если растворенное ве-
щество электролит, его осмолярность зависит от степени дисся
циации. Осмотическое давление осмолярного раствора paei|
22,4 ат.м при 0°С, а температура замерзания раствора при этол
снижена на 1,86°С.	'
Микроорганизмы, которые могли бы существовать, поддед1
живая внутри клеток осмолярность более низкую, чем в окру
жающей среде, неизвестны.
Способность организмов развиваться
варьирующей осмолярностью называют
Осмотолерантность у бактерий обеспечивается благодаря тому,
что внутриклеточная осмолярность всегда превышает осмоляр-
ность среды.
/Не всегда растворенное вещество оказывает влияние М
микроорганизмы только вследствие изменения aw. Например,
некоторые бактерии и дрожжи в присутствии сахаров могуй
расти при гораздо более низких значениях ow, чем в прмсутся
вии солей. В то же время минимальное значение aw, при кот|
ром растут штаммы Staphylococcus aureus и некоторых сальмс
нелл, одинаково в растворах сахаров и солей и равно к 0,8а
/Для роста каждого микроорганизма есть оптимальное знж
чение а«- Если водная активность станет ниже этого уровня ®
присутствии растворенного вещества, то часть доступной энер-
гии микроорганизм вынужден тратить на осморегуляцию, 'обес-
печение энергией транспортных систем, синтез цизкомолекуля^
пых осмопротекторов. Поэтому в условиях пониженной водно»
активности наблюдается удлинение лаг-фазы, уменьшение с#
рости роста, снижение общего количества образуемой биЬмар
сы -- организм находится в условиях осмотического стресс*
Однако некоторые микроорганизмы могут расти достаточно хс
«0
в средах с широк5
осмотолерантностью
poiiio и в средах с высокими концентрациями растворенных ве-
ществ, хотя и они обычно растут лучше при значениях aw
0,95—0,99. Это осмотолеринтные микроорганизмы. Осмофилы
проявляют оптимальный рост в
условиях пониженной водной ак-
тивности. Осмофильными обычно
называют микроорганизмы, раз-
вивающиеся в средах с высокой
концентрацией сахара, а формы,
растущие в среда ?< с высокой
концентрацией солей, называют
галотолерантными, или галофиль-
ны.чи.) Характер влияния измене-
ния водной активности на рост
различных организмов показан
на рис. 11.
/ Некоторые мицелиальные гри-
бы и дрожжи — осмофилы, их
оптимальный рост наблюдается и
Рис. II. Влияние водной ангин-
ное i и на рост различных мик-
роорганизмов (ио: Brock. 1979).
/ — обычные микроорганизмы. "
«смотолер. атиые. -? - осмофм.т.',
)и 0.90. К осмофильпым
бактериям относятся некоторые формы эубактерий, лишен-
ные клеточной стенки. — синроплазмы./ Экологически спиро-
плазмы связаны с растениями и насекомыми-опылителями. Они
могут размножаться в богатом сахаром нектаре цветов. Одна-
ко для большинства бактерий в качестве основного экологиче-
ского фактора выступает концентрация электролитов. Рассмат-
ривая отношение бактерий к этому фактору и используя при
этом раствор NaCI в различной концентрации, можно до не-
которой степени условно подразделить их на ряд групп.
Во-первых, это нсгалофильные бактерии, не нуждающиеся
в NaCI и способные существовать в средах с ничтожным содер-
жанием растворенных веществ, даже в дистиллированной воде.
Верхний предел aw для них не может быть определен. Угнете-
ние таких бактерий хлористым натрием обычно начинается при
его концентрации около 3%. К этой группе относятся много-
численные бактерии, обитающие в пресных водах, почвах, свя-
занные с организмом человека, животных, с растениями.
Во-вторых, это морские бактерии, оптимальный рост кото-
рых обычно наблюдается при концентрациях NaCI 2,5—5%,
они иногда обнаруживают абсолютную потребность в нона-;
Na, а иногда и С1.
В-третьих, это умеренные галофилы, растущие при концент-
рациях NaCI 5—15%. и, в-четвертых, экстремальные пли край-
не галофильпые бактерии, развивающиеся при концентрациях
NaCI .начиная с 12—15% и до насыщенных растворов соли.
Е. coli относится к обычным пегалофильным бактериям.
Она способна расти в средах с осмолярностью от 0 до
1200 мОсм, что соответствует приблизительно осмолярности
4%-ного раствора NaCI. Е. coll обладает весьма сложными и
6 Зикач ЛЗ 161
81
совершенными системами приспособления к изменяющейся
концентрации веществ в окружающей среде. Постулируют на^
личис в цитоплазматической мембране Е. coli осмосенсора
предположительно белка, реагирующего па изменение иапря’
?кения мембраны, величина которого зависит от разности код.
центрацпй веществ в среде и в клетке. Пока неизвестно, имец
ли Е. coli только один осмосенсор, включающий на уров1|
транскрипции ряд различных систем обмена, или разные систем
мы обмена регулируются независимо.
При изменении осмолярности среды у Е. coli во внешней
мембране изменяется соотношение белков поринов Отр С ц
Отр F, образующих гидрофильные поры, через которые ocjJ
ществлястся поступление в перивлазматическое пространство
нс слишком крупных молекул. Порпн Отр F преобладает в
средах с низко/") осмолярностью, Отр С — в средах с высокой
осмолярностью.
При повышении осмолярности среды у Е. coli включаются
охш-гепы, определяющие синтез осмопротекторов, низкомолеку-
лярных соединений, концентрация которых в цитоплазме урав-
новешивает внешнее давление. У Е. coli синтезируется у-аминс^
масляная кислота, глутаминовая кислота, пролин. Осмопротех-
торы синтезируются клеткой или могут поглощаться ею из ой
ружающеп среды, причем работа соответствующих транспорт
пых систем также 'индуцируется высокой осмолярностью сред®
Действие осмопротекторов не сводится только к регуляции ос-
молярности цитоплазмы. В качестве высокоэффективных осмо-
протекторов для Е. coli могут служить лишь очень немногие
соединения:
(C)Ij)3N СН2СОО-
Глиш1ибетаин *
(CII3).,N iCIIjCJIO
Бетаинальдегид
(CI1,)3N C1I2CH2OH
Холин
(CH3)3N । (СН2)3СОО-
Трнметил-у-амнпобутнрат
(СН3)2.\’)СН2СОО
' 1|1МСТ|1ЛГЛ))1|1111
Пролин
COD'
Пролинбетан
Эти соединения обладают некоторьтми особыми свойствам»1
в частности исключительной растворимостью в воде. В 1 л вО"
* Глинннбетаин— полностью метилированный у азота глицин. Это в*
щество впервые было выделено из сока свеклы Beta vulgaris.
82
ды можно растворить 14 кг бетаина или пролина. Эти осмопро-
текторы взаимодействуют с белками, повышая их стабильность.
Например, в растворе пролина увеличивается растворимость
ряда белков и снижается преципитирующнй эффект этанола
или сульфата аммония. Подобные осмопротекторы обнаружены
и у многих других бактерий, низших и высших растений и жи-
вотных.
Второй широко распространенной в живой природе системой
осморегуляции, свойственной также и Е. coll, является система
избирательного накопления в клетках ионов К даже при незна-
чительной их концентрации в окружающей среде. Внутрикле-
точная концентрация калия возрастает по мере увеличения ос-
молярности среды, причем степень накопления калия в клетке
зависит только от осмолярности среды, но нс от концентрации
в ней калия.
У Е. call К-12 обнаружено ио крайней мерс 6 генов, необ-
ходимых для функционирования трех разных систем, обеспечи-
вающих поглощение калия. Две системы транспортируют калий
внутрь клетки против градиента концентрации при сравнитель-
но высоких концентрациях ионов калия в окружающей среде.
Третья — /?(//7-систсма высокого аффинитета—способна накачи-
вать ионы калия в клетку из среды с очень низкой его кон-
центрацией порядка 10-0М. Если бактерии растут в среде с
высоким содержанием ионов калия, эта система нс активна, со-
ответствующий ген «выключен».
У Е. coll и, видимо, других грамотрицательных бактерий су-
ществует специфическая система регуляции осмолярности пери-
плазматического пространства. В условиях низкой осмолярно-
сти окружающей среды, когда концентрация веществ в цито-
плазме значительно больше, чем в среде, происходит разбуха-
ние протопласта, сдерживаемое внешней мембраной. Высокое
напряжение цитоплазматической мембраны и редукция пери-
плазматического пространства, очевидно, неблагоприятны для
бактерии. В этих условиях начинается интенсивный синтез пс-
риплазматических олигосахаридов. Эти олигосахариды с моле-
кулярной массой 2200—2600 образованы остатками глюкозы и
имеют сильно разветвленную структуру. В качестве заместите-
лей они содержат остатки сукцината и фосфоглицерина, прида-
ющие им отрицательный заряд. Благодаря не слишком боль-
шой молекулярной массе олигосахариды эффективно влияют
на осмолярность периплазмы, по их молекулярная масса до-
статочна, чтобы воспрепятствовать их выходу через поры внеш-
ней мембраны, Являясь сильными анионами, олигосахариды
удерживают в перпплазматическом пространстве катионы, что
также способствует повышению осмолярности периплазмы. В
результате осмотический градиент создастся на уровне внеш-
ней, а не цитоплазматической мембраны.
Морские бактерии в отличие от пресноводных нуждаются в
6*	•	83
ионах Na. Градиент концентрации Na+ обеспечивает рабо
ряда их транспортных систем. Необходимая осмолярность 0
ружающего раствора только отчасти может быть обеспечу
присутствием других соединений, например сахаров. Потр^
ность в Na+ у различных морских бактерий выражена в разй(
степени и изменяется в зависимости от состава среды. Так, д
которые морские бактерии могут расти на сложных органиц
ских средах, не содержащих Na+, но нуждаются в нем для р
ста на простых синтетических средах.
В клетках ряда морских бактерий обнаружены полиамид
в том числе спермидин и путресцин. Содержание полиамид
в клетках возрастает при снижении концентрации соли в ср
де. По всей видимости, полнамины способствуют стабнлизаци
мембраны морских бактерий в этих условиях.
У некоторых грамотрицатсльных морских бактерий, в то,
числе у ЛИегопюпая haloplankfis, в результате отмывки клето
растворами хлорида натрия и сахарозы наблюдается разруш;
ние внешней мембраны, для стабильности которой необходим!
двухвалентные катионы. Внешняя мембрана пресноводных бат
терий, в том числе Е. coli и Ps. aeruginosa, нечувствительна
такой обработке.	f
Умеренно галофильные бактерии развиваются в засолений
почвах, водоемах, соленых продуктах. Они принадлежат к ра;
личным таксономическим группам, описаны галофильные шта>
мы родов Acinetobacler, Alcaligenes, Flavobaclerium, Pseudonu
nas, Vibrio и др. Излюбленным объектом экспериментальны
исследований умеренно галофильиых бактерий стал Vibn
costicola, растущий при концентрациях NaCl от 3 до 205
V. costicola нередко обнаруживается в солонине и разного pt
да рассолах. Описан специальный род умеренно галофильни
бактерий — род Halomonas./
В большинстве случаев оптимальный рост умеренно галс
фильиых бактерий наблюдается при концентрации NaCl 5-
10%, а минимальные значения концентрации NaCl, необход
мой для их роста, колеблются в пределах 2—5%. Перечислю
ныс выше формы относятся к грамотр|ццателы1ым эубактерия»
В засоленных почвах развиваются многочисленные трампов
жительные эубактерии, являющиеся, однако, преимуществе^
солеустойчивыми, но не галофильными, т. е. способными к ра
витию при невысоких концентрациях солей в среде. Все я
микрофлора засоленных почв специфична. Мелиорация сол#
чаков, например, приводит к отмиранию основной массы нар
ляющих их бактерий и постепенному заселению почвы иовым
организмами. В засоленных почвах иногда развиваются экстр-
мально галофильные архебактерии.
Умеренные галофилы обычно нуждаются не только в noli?
Na, но и в ионах К и Mg. Среди этих бактерий имеются ал$
лофильные формы, растущие при высоких значениях pH.
84
энергетических и транапорных процессов умерено галофильпых
бактерии, так же как и морских бактерии, большое значение
имеет градиент концентрации Na+ в клетках и среде. Особенно-
сти этих процессов определяются также значением pH окру-
жающей среды (подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже).
У всех исследованных умеренно галофильпых бактерий ос-
новную роль в осмотической адаптации клетки играет бетаин,
внутриклеточная концентрация которого возрастает с увеличе-
нием содержания соли в среде. При снижении концентрации
соли в среде у умеренных галофилов наблюдается увеличение в
составе мембран отрицательно заряженных фосфолипидов.
В природе существуют гипергалпнпые водоемы, содержащие
соли в очень высоких концентрациях. Это морские мелководные
марши и лиманы, соленые озера. В озерах концентрация солей
.может колебаться в разные сезоны года, в период усиленного
испарения воды достигая 200 г/л. К таким водоемам относятся
крымские озера Сакское, Сасык 'Н др., а также Восточный Си-
ваш. В так называемых рапных озерах концентрация солей со-
ставляет 200 г/л и более. На этом уровне она поддерживается
в озере круглый год благодаря солевому пласту, который раст-
воряется при поступлении воды. К рапным водоемам относятся
крымские озера Гемическое, Чокракское, Западный Сиваш, ис-
парительные бассейны солеварен. Соленые озера имеются на
всех континентах, широко известно Мертвое морс, микрофлора
которого хорошо 'изучена. По составу ионов вода многих соле-
ных озер сходна с концентрированной морской водой, и в ней
преобладает NaCI. Однако вода других соленых озер совершен-
но отличается по составу солей от концентрированной морской
воды. Например, в воде Мертвого моря преобладают хлорилы
Mg2+ и Са2+, концентоацня которых достигает 15%. Возмож-
ность развития тех или иных форм микроорганизмов в значи-
тельной степени зависит от качественного состава растворенных
солей. В соленых озерах не живут высшие растения и позво-
ночные животные, зато происходит массовое развитие микроор-
ганизмов.
В пипергалинных водоемах развиваются экстремально гало-
фильные бактерии, выдерживающие высокие концентрации со-
лей вплоть до насыщающих и часто неспособные к росту при
низких концентрациях соли. Экстремальные галофилы лучше
всего растут при 15—32% (2,5—5,22 М) NaCI, т, е. в условиях
физиологически сухой среды.
Экстремальные галофилы известны среди фототрофных
эубактерий — это серные пурпурные бактерии Ectothiorhodo-
spira halophila и Eel. halochloris, вытеленные из воды соленого
Щелочного озера в Египте и обнаруживающие оптимальный
рост при 20% NaCI. Осморегуляния в клетках этих бактерий
осуществляется за счет изменения концентрации бетаина.
85
Особый интерес представляют экстремально галофильйь
архебактерин. Это представители родов Halobacteriutn, Halol
ecus и некоторых др. Галобактерии и галококки — гетеротр^
фы со сложными пищевыми потребностями. Многие из Hjj
нуждаются в аминокислотах и витаминах и часто развивают^
в озерах совместно с галофильными зелеными водорослями,о,
носящимися к роду Dunaliella. Даже в иаплучших условия
галобактерии растут очень медленно: время генерации клетй
около 7 ч. Основными источниками углерода и энергии для н«,
служат аминокислоты и сахара. Основной энергетический npj
цесс — аэробное дыхание. В цитоплазматической мембране ц
лобактерий обнаружены цитохромы b и с, а также цитохр^
моксидаза 0-типа. В анаэробных условиях галобактертш ино^
способны использовать в качестве конечного акцептора элед
тронов нитраты.	|
В анаэробных условиях галобактерии могут синтезироваЦ
АТФ в процессе своеобразного фотосинтеза. На свету при см
женин в .среде молекулярного кислорода в их цитоплазматич
ской мембране индуцируется синтез хромопротеина бактериом
доис.ииа. Молекулы бакгериородопоипа включаются в ция
плазматическую мембрану, формируя отдельные пурпурна
области — бляшки. Пурпурные участки могут составлять к
50% поверхности мембраны.
В основе бесхлорофильного фотосинтеза галобактерии
жат светозависимые циклические превращения бактсриородо?
сина. Поглощение кванта света этим пигментом сопровождая!
ся выбросом протона из цитоплазмы клетки, в результате чек
на мембране образуется градиент ионов	“
протонов в обратном направлении, т. е. по градиенту концент-
рации, сопряжен с синтезом ЛТФ из ЛДФ
фосфата. Для работы бактериородопспна в качестве протоннМ
помпы необходимо н достаточно только энергии света.
Таким образом, бактериородопсин дает возможность oprf
низму синтезировать ЛТФ в анаэробных условиях. Поэтому гЗ'
лобактерпи могут обитать в местах, куда доступ кислорода ог
рапичен. При высоких концентрациях солей в среде, где раст|
галобактерии, растворимость кислорода очень низкая. Наира
мер, в Мертвом море количество жлеток галобактсрий с гл!
бипой почти не изменяется, хотя уже па глубине 80 м нет км
лорода.	I
Влияние ионов .на галобактерии достаточно спсцифичнв
Для поддержания структуры и ригидности клетки требуют!
ионы Na, Cl, Mg. Специфическая потребность в Na+ не мож*
быть удовлетворена за счет К1'. Однако преобладающий
внутри клеток не Na+, а К+, и клетки поглощают К1' из среДЙ
в очень больших количествах. Подсчитано, что К!' может с°’
ставлять от 30 до 40% (7 М) сухого вещества Halobacteriu^.
salinarium. У галобактсрий соотношение концентраций К+ ’
86
водорода.
и
клетке и вне ее может достигать 1000: 1. Потребность в К1’
столь высока, что этот нон легко становится фактором, лимити-
рующим рост культуры.
Многие ферменты Halobacterium для проявления активности
нуждаются в солях, причем в высокой концентрации. Рибосомы
также необычны, поскольку для их стабильности необходим
К+ в высокой концентрации. Рибосомы других организмов не
испытывают такой потребности.
Как л у других архебактерий, у галобактерий в составе кле-
точных стенок отсутствует муреин (пептидогликан). У предста-
вителей рода Halobacterium клеточная стенка образована бел-
ковыми частицами диаметром 15—20 нм. Для поддержания се
целостности необходимы ноны натрия, образующие комплексы
с белком. При недостатке NaCl в среде клеточные стенки ра-
створяются, и клетки лизируются. У представителей рода
Halococcus в клеточных стенках содержатся полисахариды, они
более прочные и нс разрушаются при отсутствии в среде хло-
рида натрия.
Цитоплазматическая мембрана галобактерий образована ха-
рактерными для архебактерий липидами, в том числе содержа-
щими С^о-бифита'Н'Иловый тетраэфир. В мембранах галобакте-
рий обычно содержатся каротиноидные пигменты, видимо, слу-
жащие для защиты клеток от излишней инсоляции, поскольку
эти бактерии обычно развиваются >на открытых пространствах
с высокой освещенностью. Галофилы образуют розовые или
красные колонии, при массовом развитии) в природе окрашива-
ют субстрат, на котором растут, например, кристаллы соли в
рапс солевых озер. Интересно, что в старину в России такую
красную соль считали царской и везли в Москву. В паши дни
соленую рыбу, покрывшуюся красным налетом галобактерий,
считают испорченной.
Галофилы известны в различных группах микроорганизмов,
среди эубактерип, архебактерий, эукариотов. Есть основания
предполагать, что проблема саморегуляции в различных линиях
эволюции решалась по-разному:
Организмы:	I lx осмолнтнкн:
Dunaliella sp. Chlorella pyrenoidosa Sacchuromyces rouxii Synecltococcus sp. Synechocyslis DU 52 Escherichia coli Klebsiella pneumoniae Serratia marcescens Staphylococcus aureus Streptococcus [aecalis Ectothiorhodospira sp. Halobacterium sp.	Глицерин Сахароза Арабит Гликозиле, птерин Бе га и и Пролин, глутаминовая к-та, у-ами- номас.тяная к-та Пролин, глутаминовая к-та Пролин Пролин, глутаминовая к-та Пролин, у-аминомасляпая к-та Бетаин К1'
87
Как видно, для эукариот характерно накопление в клетку
спиртов или сахаров, для эубактерий — некоторых аминоки^
лот и бетаина, иногда сахаров, а архебактерий в качестве oei
морегулятора используют исключительно калий.
матричный водный стресс
Кора деревьев, поверхность скал, разного рода сооружений
л тому подобные субстраты заселены различными микрооргд.
ннзмами, в том числе бактериями. Обычно такие субстраты ув|
лажняются лишь периодически!, и микроорганизмы постоянно
подвергаются высушиванию, т. е. водному стрессу. Многие по4
вы периодически пересыхают, а почвы полупустынь и иустыл®
испытывают постоянный дефицит влаги. В условиях засухи
микроорганизмы оказываются и зимой, при отрицательной тез^
пературе, когда вода замерзает. При этом дополнительную
опасность представляют образующиеся кристаллики льда, хе
тя, с другой стороны, холод оказывает консервирующее дейер
Еие.	|
Пустынные почвы чрезвычайно широко распространены на
различных материках в южных -и северных плиротах. Подобны^
почвы занимают более 6% территории СССР. Истинные же irjfc-
стыни находятся за пределами нашей страны — в Северной
Африке и Нейтральной Азии.
Недостаток воды и другие крайне жесткие условия позволя-
ют на первый взгляд считать пустыни «безжизненными npoct
раиствам<п». Уже в 30-е годы были организованы комплексные
экспедиции, которые выявили биологическую активность эти!
почв, Обнаружено, что почвы пустынной зоны заселены разно!
образными микроорганизмами. Например, в почвах пустыни
Сахары найдены многие десятки видов микроорганизмов, чне.тф
их клеток достигает Ю3—10» на 1г почвы, Здесь доминирует
водоросли, обеспечивающие формирование этих почв, много
грибов и актииоминетов, клеток кокков и палочковидных бак]
терий меньше, но их видовое разнообразие тоже достаточно ?>4|
Л И КО.	I
Обычно микроорганизмы проявляют более высокую чувствие
дельность к матричному водному стрессу, чем к осмотическом]^
Бактерии в основном гигрофилы. Для того чтобы клетка насу-
дилась в состоянии тургора и не подвергалась коллапсу. оемо:'
лярноегь в ней должна поддерживаться па достаточно высоки^!
уровне, а водная активность должна быть -ниже, чем в среде.;
Если клетка подвергается осмотическому стрессу, она може#
поглотить какое-то количество растворенных веществ из окру-
жающей среды и тем самым повысить концентрацию внутреНд
ней среды. Микроорганизмы, которые подвергаются матричн^
му стрессу в среде с низкой концентрацией раствореины?: з^-
ыеетв, не имеют возможности поглотать осмотически активны*
88
соединения. Такне организмы должны либо сами синтезировать
растворимые вещества de novo, либо осуществлять деструкцию
некотор ы х в нутр икл еточ в ы х м а кромол екул.
На поверхности почвенных или иных твердых частиц удер-
живается пленочная, или гигроскопическая, вода. При влажно-
ности воздуха больше 91% формируется пленочная вода. Насы-
щение до максимальной гигроскопичности происходит при от-
носительной влажности воздуха 94%, или при aw = 0.94.
Очень тонкая пленка гигроскопической влаги покрывает части-
цы субстрата н клетки микроорганизмов. Актиномицеты могут
развиваться, даже если содержание воды гораздо меньше мак-
симально гигроскопического. Предполагают, что при недостатке
экзогенной воды микроорганизмы используют метаболическую
воду, которая образуется в результате окисления органического
вещества, содержащегося в клетках. Например, из 1 кг глюко-
зы можно получить таким образом 600 г воды: CeH^Oe + 60=
=6СО2 + 6Н2О.
В условиях дефицита влаги некоторые бактерии образуют
гидрофильные слизистые капсулы, активно поглощающие вла-
гу. Так, бактерии, живущие «на корнях пустынных растений, вы-
деляют значительные количества гигроскопической слизи, что
способствует обеспечению водой не только самих бактерий, но
л растений. Следует, однако, признать, что физиологические
механизмы, позволяющие бактериям существовать в условиях
ограниченной влажности, еще нс изучены.
При высушивании микроорганизмов часть клеток погибает.
Клетки же. перенесшие высушивание, переходят в состояние
анабиоза. После высушивания почвенных образцов определяе-
мое в них количество бактерии обычно уменьшается в 5—10
раз. Возможность сохранения бактериями жизнеспособности
ври высушивании определяется множеством факторов, в том
числе зависит от температуры, pH, солевого состава среды и
т. п. Обычно формы с мелкими клетками устойчивее, чем круп-,
ноклеточные формы, кокки устойчивее палочек. Клетки с тол-
стой клеточной стенкой, в том числе большинство грамположи-
тельных бактерий, устойчивее к высушиванию, чем врамотрлца-
тельпые бактерии и тем более микоплазмы. Особенно высокой
устойчивостью к высушиванию характеризуются микобактерии,
клетки которых окружены массивными клеточными стенками,
содержащими большое количество липидов. Бактериальные ци-
сты и споры устойчивее к высушиванию, чем вегетативные
клетки.
§ 9.	МОЛЕКУЛЯРНЫЙ КИСЛОРОД
По мнению большинства ученых, первые живые организмы
на Земле были анаэробами. Эволюция анаэробных фототроф-
вых прокариот привела к возникновению предков современных
89
цианобактерий, приобретших фотосистему II и способных к ц
пользованию воды в качестве донора электронов в процеод
фотосинтетического восстановления СО2. Окисление воды
этом процессе приводит к освобождению молекулярного кисд(
рода. Цианобактерии сыграли огромную роль в эволюции бц,
сферы, так как 'именно в результате их активности сформим
валась атмосфера Земли, подобная современной.	’
Молекулярный кислород явился мощным экологически]
фактором, его накопление в атмосфере вызвало прогресеивну)
эволюцию одних организмов и гибель других.
Клетки любых прокариот, даже строгих анаэробов, спосод
ны поглощать Ог. Молекулярный кислород связывают и клег
кп, убитые нагреванием, в результате чисто химических процец
сов окисления некоторых соединении, например SH-rpynn бед
ков. Молекулярный 'кислород особенно легко реагирует с вод
стамовлениымн переносчиками электронов, такими, как ферре
доксины, НАДИ или НАДФН. У анаэробов это может привссц
к истощению пула восстановленных доноров электронов, нео{
холимых для биосинтеза.	’
Выступая в роли акцептора электронов, О2 претерпевает че
тыре этапа восстановления:	‘
О2-Не-О2“
О.“+1еН-2Н+-> H2OS.
Н,О2 + 1 е + 11" - Н,О2 -э Н2О + НО-,
НО- -Не -Н1+ - Н2Ь.
В невозбужденном состоянии молекулярный кислород не
токсичен, но промежуточные продукты его восстановления яз
ляются мощными окислителями.
Частица О2 называется супероксиданион-радикалом ИЛ
просто супероксидом. Установлено, что в бактериальной клет«
супероксид генерируется, в частности, при взаимодействии1
молекулярным кислородом восстановленных флавинов, хиноно?
тиолов, FeS-белков, а также в реакциях, катализируемых р»
дом флавопротеидиых ферментов. Супероксид возникает в пр»
цессе фотосинтеза. Время жизни супероксида в водной сред1
продолжительнее, чем у друпих О2-производных радикалов, В»
этому в клетку может проникать супероксид, образованный в®
бактерии. Клетки крови животных — гранулоциты, в нер-И$
активизации их дыхания, сопутствующего развитию .их в фай
циты, выделяют большое .количество супероксида, что способ®
вует гибели захваченных ими бактерий.
Супероксид может участвовать в реакциях, приводящих!’*
различным повреждениям клетки, — в окислении ненасыШЙ-
ных жирных кислот и SH-групп белков, разрушении в белК'
триптофановых остатков, повреждении ДНК и т. д.
90
Супероксид дисмутирует в реакции, протекающей спонтанно
с образованием перекиси водорода и синглетного кислорода,
также являющегося сильным окислителем: О?" .+ 07" + 2Н2
-►Н2О2 + *02.
В присутствии фермента супероксиддисмутазы (СОД) реак-
ция дне-мутации супероксида идет со скоростью примерно па 4
порядка выше чем спонтанная. При этом образуется обычный
стабильный триплетный молекулярный кислород: 07" + 02‘ +
+2Н+-*Н2О2 + О2.
СОД образуют все аэробные и многие анаэробные бактерии.
Некоторые патогенные бактерии, например Nocardia asleroides,
используют СОД, синтезируемую ими как экзофермент, связан-
ный с поверхностью клетки или выделяемый в среду, для защи-
ты от фагоцитов, образующих супероксид.
СОД разных организмов различаются аминокислотными по-
следовательностями и содержащимися в них металлами. Так, в
зеленых водорослях и митохондриях эукариот обнаружена
Мп-СОД, у животных, в цитоплазме и хлоропластах высших ра-
стений — Cu-Zn-СОД. У бактерий также находят разные типы
СОД. Наиболее обычна для них Fe-СОД, но встречается и
Мп-СОД, Fe-Zn-СОД, Cu-Zn-СОД, Fe-Mn-Zn-СОД.
В результате переноса двух электронов на 02 образуется
перекись водорода 112О2. Катализировать этот процесс у бакте-
рий могут оксидазы флавиновой природы’и некоторые цитохро-
мы. Перекись водорода может возникать в реакциях автоокис-
ления некоторых негемовых FeS-белков, а также в описанных
выше реакциях дисмутации супероксида. Перекись водорода
образуется у всех аэробных 'И факультативно анаэробных бак-
терий, растущих в аэробных условиях, но быстро разлагается в
клетках этих бактерий под влиянием гемсодержащих фермен-
тов — каталазы пли пероксидазы:
2Н2О,—О.,+ 211,0,
112О, + DI J, =“4d + 2Н,0.
Накопление Н2О2 в клетке для нее летально.
Гидроксильный радикал ОН’ — самый сильный из всех из-
вестных окислителей. Ои может появляться при взаимодейст-
вии супероксида с перекисью водорода:
ОТ" + 112O2 - I- 1+ - О, + Н,0 + О! Г.
Гидроксильный радикал образуется также в реакциях окисле-
ния перекиси водорода, катализируемых железосодержащими
соединениями:
11,(), + Fe2* - Fc:,‘ + ОН- + 01 Г.
Окисление биологически важных молекул под влиянием ви-
димого света в присутствии молекулярного кислорода и краск-
91
теля-сепсибилизатора получило название фотодинамическог(
эффекта. Свет определенной длины волны в зависимости о
спектра поглощения сенсибилизатора переводит молекулы кра
ентеля в возбужденное синглетное состояние (!i,D) :D4-hv-**D
Возбужденные синглетные молекулы красителя могут возвра;
тнться в исходное состояние или перейти в триплетное состоя'
ние ('!)), в котором они фотодинамически активны. Молекул;
красителя, находящаяся в триплетном состоянии, реагирует1!
02, переводя его в синглетное состояние, а синглетный кисло
род окисляет молекулу субстрата:
'D + 02 - I) + *02,
В -1- *о2 во2.
Фотодинамический эффект сопровождается повреждением мем.
брав, белков, ДНК в результате окисления аминокислот (ме.
тионина, гистидина, триптофана и др.), липидов, нуклеозидов,
полисахаридов и др. Клетки могут быть защищены от фотод£
пам'ического эффекта молекулами! каротиноидов или других
аноксидантов. Каротиноиды также гасят синглетное состояние
кислорода, образовавшегося в темновых реакциях. Каротинои-
ды — обязательные компоненты пигментного аппарата всех
фототрофов, обнаруживаются и в клетках многих аэробных хе-
мотрофов. Установлено, что мутанты, лишенные каротиноидов,
становятся крайне чувствительными к свету в присутствии киф
лорода.
У фототрофов из 104 поглощенных хлорофиллом квантов
света около 4 приводят к переходу молекулы хлорофилла в
триплетное состояние. Такая молекула может реагировать с
молекулой каротиноида, переводя ее в триплетное состояние,
или с. молекулой 02, переводя ее в синглетное состояние. Синг-
летный кислород также реагирует с молекулой каротиноида.
Образующиеся в этих реакциях триплетные молекулы кароти-
ноидов отдают избыточную энергию в виде тепла и возвраща-
ются в основное состояние. Нейтрализация синглетного кисло-
рода может происходить и за счет химического окисления ка-
ротиноидов.
Молекулярный кислород может использоваться клеткой >
энергетическом метаболизме или включаться в обмен вне связи
с получением энергии. Использование О2, связанное с запасанк?
ем энергии, сопровождается или не сопровождается фосфорилН'
рованисм. В последнем случае создается протондвижущая сила-
Свободное ферментативное окисление кислородом не связа-
но с получением клеткой энергии. Например, оксигеназы ката-
лизируют активирование О2 и последующее включение одного
или двух его атомов в молекулы различных субстратов. Окой,
геиазы участвуют в процессах биосинтеза, трансформации 11
деградации различных веществ, субстратом им часто служа*
92
рас творим ь;? з воде соединения. В .результате окисления та-
Иие вещества становятся доступными для биодеградации.
К Молекулярный кислород играет регуляторную роль в обме-
факультативно анаэробных бактерии. При таличип альтер-
нативных путей энергетического обмена использование Ог в ка-
честве конечного акцептора электронов энергетически наиболее
выгодно, поэтому в присутствии молекулярного кислорода ис-
пользуется он. Видимо, все подвижные бактерии обладают
аэротаксисом, т. с. концентрируются в зоне повышенного или
пониженного содержания кислорода.
В процессе эволюции некоторые из прокариот остались
строгими анаэробами, но были вынуждены адаптироваться к
определенным местообитаниям, лишенным молекулярного кис-
лорода. Степень их чувствительности к кислороду очень сильно
варьирует. Крайне высокая чувствительность характерна для
некоторых метаногенных архсбактерий, хотя .и среди них есть
формы, способные в течение .нескольких часов сохранять жизне-
способность з земной атмосфере. Наиболее чувствительные к
молекулярному кислороду' анаэробы не способны расти уже
при содержании в атмосфере 0,1% Ог —это, например, виды
рода Treponema, в том числе Tr. denticola. Bacteroid.es fragilis
может расти при содержании Ог не выше 8%. Некоторые виды
анаэробов рода Clostridium могут развиваться только в атмос-
фере 100%-ного N2 или СО2, другие — даже в условиях земной
атмосферы, хотя при этом теряют способность к образованию
эндоспор. Повсеместное распространение Clostridium в биосфе-
ре объясняется тем, что образуемые этими бактериями эндоспо-
ры не чувствительны к Ог-
Современные анаэробы, даже совершенно не нуждающиеся
в О2 и не способные его использовать, как правило, имеют бо-
лее или .менее эффективные механизмы защиты от Ог. Иногда у
чих обнаруживают ферменты, разрушающие активированные
формы кислорода: каталазу и (или) супероксиддесмутазу. СОД
встречается чаще, опа обнаружена у анаэробных Actinomyces
SP- Desulfovibrio desulf uricans, Bacteroides fragilis. У В. fragi-
lis синтез этого фермента индуцируется О2. Небольшую ката-
лазную активность проявляют некоторые виды Clostridium.
У некоторых анаэробов функционируют специальные НАДН-
окоидазы или пируватоксидазы, катализирующие образование
Н2О, а не Н2О2 в реакциях этих субстратов с О2. Адаптивное
значение для современных анаэробов систем активной защиты
от Ог очевидно.
Несмотря на то, что земная атмосфера содержит кислород,
тРогие анаэробы распространены в биосфере столь же широко,
вк и аэробы, и разнообразие их велико. Иногда происходит
1 звитие целых анаэробных сообществ, например, в богатых
,С1, аникой илах, метантенках, в рубце жвачных животных. Ча-
L анаэробы развиваются вместе с аэробами, заселяя лишен-
93
ные кислорода микрозоны, например в почвенных частица*
снаружи заселенных аэробами. Поглощению кислорода в рана*
аэробными бактериями может создать условия для размноже-
ния токсигенных Clostridium и других патогенов.
Многие бактерии являются микроаэрофилами, т. е. испощ.
зуют молекулярный .кислород, но способны существовать толь,
ко при его невысоком содержании. Широкое распространение
подобных бактерий объясняется гем, что во многих природных
средах, в водоемах, в почве и др., содержание молекулярного
кислорода значительно ниже, чем в атмосфере.
Для выращивания микроаэрофплов в лаборатории иногда
используют полужидкие среды, содержащие агар в невысоких
концентрациях. Агар ограничивает перемешивание среды и спо-
собствует созданию стабильного градиента концентрации моле-
кулярного кислорода. Микроаэрофилы развиваются в среде иг
некотором расстоянии от ее поверхности. Степень чувствитель-
ности микроаэрофилов к молекулярному кислороду может быть
очень различной, некоторые могут расти только при содержа-
нии О2 в несколько сотых процента от атмосферного. Степень
зависимости микроаэрофилов от О2 также различна.
К микроаэрофила.м относятся молочнокислые палочки — ви-
ды рода Lactobacillus. Они могут расти анаэробно, ио хорошо
или даже лучше растут в присутствии небольшого количества
О2. Они лишены цитохромов и не способны осуществлять окя£
слительное фосфорилирование, однако обладают содержащими
флав-ин оксидазами и пероксидазами, катализирующими okih|
сление НАДН2, и могут использовать О2 в качестве конечно^
акцептора электронов. В этом случае наблюдается ускорение
гликолитического разложения глюкозы в аэробных условиях,
связанное с тем, что часть пировиноградной кислоты освобож-
дается от своей акцепторной функции и может окисляться до
ацстил-КоА, последующее метаболизированис которого приво-
дит к синтезу молекулы АТФ, т. е. в конечном счете увеличу
вается и выход АТФ. У молочнокислых бактерий СОД отсутст-
вует, но се функции выполняют ионы .Мп2~, содержащиеся в
клетках в высоких концентрациях порядка 9—23 мМ. Ион^[
Mnz-L легко окисляются супероксидом. У ряда молочнокисльц
бактерий обнаружена псевдокаталаза — каталаза, не содержа-
щая гемовой группы. Она может превратиться в гемсолержа-
тую-каталазу за счет экзогенных гемовых групп.
Другие микроаэрофилы осуществляют дыхательный метабо,;
лизм. К таким мккроаэрофилам относятся некоторые бактерия
связанные в своей жизни с организмом человека и животный
в том числе виды Campylobacter. С. fetus лучше всего расте|
при содержании О2 5—10%.	я
Приспособительные реакции, выработанные микроаэрофила:
ми, весьма разнообразны. Микроаэрофильны виды BeggiatoaA
94	I
нитчатые скользящие бактерии, содержащие в клетках капли
серы. Beggiatoa развиваются в присутствии II2S, который они
окисляют. Среди Beggiatoa обнаружены хемолитоавтотрофные
виды, использующие в хемосинтезе энергию окисления серово-
дорода, hi гетеротрофные виды. Предполагают, что для послед-
них сероводород необходим как нейтрализатор образующихся
в процессе дыхания перекисей. Beggiatoa как мнкроаэрофилы
в среде с агаром занимают и глубине его зону, в которой со-
держание кислорода составляет 0,6—6,0% атмосферного. При
культивировании в жидкой аэрируемой среде Beggiatoa форми-
руют клубки нитей, внутри которых содержание кислорода по-
нижено в результате его поглощения клетками при дыхании.
Использование сероводорода в качестве 111ейтралпзатора пере-
кисей приписывают также серной спирилле Tluospira. Некото-
рые исследователи считают, что аналогичное значение имеют
процессы окисления соединений железа и марганца, осущест-
вляемые многими пресноводными бактериями, например Lepto-
thrix, Metallogenium, Siderococcus. Эти бактерии, имеющие не-
достаточно совершенные системы защиты от окислителей, раз-
виваются в тех средах, где присутствуют естественные их нейт-
рализаторы — соединения восстановленного железа или мар-
ганца. Это, возможно, эволюционно древний тин адаптации к
существованию в атмосфере, содержащей кислород.
Некоторые бактерии выработали своеобразные адаптацион-
ные механизмы, обеспечивающие регуляцию содержания кисло-
рода в среде и лучшую его доступность клеткам. Так, леггемо-
глобин - белок, родственный гемоглобину, накапливается в
тканях клубеньков бобовых растении в период активной фикса-
ции молекулярного азота бактероидами. Леггемоглобин облада-
ет высоким сродством к молекулярному кислороду и, с одной
стороны, способствует снабжению бактероидов кислородом, а с
другой — препятствует повышению концентрации молекулярно-
го кислорода, что могло бы привести к угнетению активности
нитрогеназы.
Нитчатая пресноводная строго аэробная бактерия Vitreosci-
Ua sp. синтезирует специфический растворимый гемопротеид,
который может быть в достаточно стабильной окисленной фор-
ме, которая характеризуется спектральным сходством с окси-
миоглобином и оксигемоглобином. Аминокислотная последова-
тельность гемопротеида Vitreoscilla имеет 24%-иое сходство с
аминокислотной последовательностью леггемоглобина люпина.
Обнаружена также значительная структурная гомология в рас-
пределении спирализо'ванных участков молекулы этого гемо-
протеида и молекул глобинов животных и растений. Количест-
во синтезируемого Vitreoscilla гемопротеида резко возрастает,
вели бактерия оказывается в условиях недостатка кислорода.
Таким образом, механизм, снабжающий кислородом клетки че-
ловека, может быть использован некоторыми бактериями, кото-
95
рым гемопротеид обеспечивает выживание, участвуя в запасу
пии кислорода и его диффузии.
Мвдроаэрофил Bacillus vesiculiierous нуждается в молеку.
лирном кислороде, но развивается лишь при рО2 0,03—0,08 атц
В условиях лимитации дыхания кислородом и высокой плотно
сти популяции В. vesicutiferous образует экстрацеллюляри^
газовые баллоны, которые облегчают транспорт кислорода (
скоплениях клеток.
В некоторых естественных местообитаниях бактерии фо-рмц
руются устойчивые мшкрозоны, характеризующиеся определен
ным уровнем окислительно-восстановительного потенциал
Б. В. Перфильевым описано мпкрозопальное строение ило
многих водоемов. Физико-химические условия в поверхностны-
слоях иловых отложений обнаруживают резкую дифференту
цию по вертикали вследствие взаимодействия развивающихся
ниже восстановительных процессов с кислородом воды, посту
пающ-им из атмосферы и в результате фотосинтеза. Многш
иловые микроорганизмы способны развиваться только в преде-
лах очень узкого горизонта ила. Если при этом микроорганнз
мы или продукты их жизнедеятельности окра-шены, в места.»
скопления этих микробов в иле возникают видимые прослон
ки — микрозоиы — разных цветов. Многие микроорганизмы
развивающиеся в иловых микро зон ах, были описаны и исследо-
ваны Б. В. Перфильевым при помощи разработанных -им мето
дов капиллярной микроскопии. Среди новых для науки форм
бактерий был описан Metallogeniuni personalum. Этот, по вей
вероятности, очень древний микроорганизм, как оказалось, ши
роко распространен в природе -и -играет существенную роль i
процессах круговорота железа и марганца. Некоторые бакте
рии, обнаруженные Б. В. Перфильевым в иловых микрозонах
до сих пор не получены в культурах.
Многие аэробные и факультативно анаэробные бактерии об-
ладают весьма совершенными системами защиты о г окисли-
телей и хорошо растут в атмосфере чистого молекулярного кис-
лорода и даже при повышенном давлении О2. Так. наблюдал?
стимуляцию роста Staphylococcus aureus и Proteus vulgarise
атмосфере -кислорода при увеличении давления до 4 атм. Пр'-i
этом степень чувствительности бактерий к кислороду может *
очень сильной степени зависеть, например, от состава среды
pH, температуры. Кроме того, бактерии способны к адаптаи-и!'-
н результате которой их устойчивость к окислителям многс
кратно возрастает. Некоторые механизмы подобных адаптаций
будут рассмотрены в дальнейшем.
Различные системы метаболизма бактериальной клетки *
разной степени чувствительны к окислителям. Строго анаэроб'
ным является процесс фиксации молекулярного азота. Нитр0'
геиазная система, катализирующая фиксацию молекулярно^
азота, состоит из двух металлопротсидов — Mo, Fe- и Fc-беЛК?
96
Молекулярный кислород повреждает оба белка, хотя наиболее
чувствителен к нему Fe-белок. Чувствительность белков нитро-
геназы к Ог определяется главным образом чувствительностью
их .металлоцентров, участвующих в связывании субстрата и пе-
реносе электронов. При взаимодействии системы нитрогеназы с
кислородом может происходить 4ступенчатое восстановле-
ние О2 с образованием супероксида, перекиси водорода и син-
глетного кислорода. Ферредоксины и флаводоксины, перенося-
щие электроны на нитрогеназу, также могут подвергаться необ-
ратимым окислительным повреждениям.
У аэробных бактерий существуют специальные механизмы
защиты нитрогеназы от кислорода. Виды рода Azotobacter и
родственные ему аэробные азотфпкеаторы обладают системами
защиты на двух уровнях. Это, во первых, «дыхательная защи-
та», определяемая существованием альтернативных электрон-
транспортных систем, использующих различные цитохромокси-
дазы. Транспорт электронов, сопряженный с фосфорилировани-
ем, проходит по пути: цитохромы b — с4 — cj — at. В процессе
азотфиксащш дыхание резко усиливается за счет электронного
транспорта по пути: цитохром Ь-—d, не связанному с запасани-
ем энергии. В данном случае дыхание служит исключительно
для ликвидации внутриклеточного О2-
Второй уровень защиты нитрогеназы от Ог — конформацией-
наязащита — определяется ассоциацией нитрогеназы с особыми
FeS-белками, в результате чего повышается ее стабильность в
присутствии Ог. Никаких других функций, кроме защитных, у
FeS-белков не обнаружено.
Гормогонневые цианобактерии образуют специализирован-
ные клетки — гетероцисты, которые не способны к росту и де-
лению, по .в которых обеспечена защита нитрогеназы от О2. У
этих организмов процессы оксиггнного фотосинтеза и азотфик-
сацин пространственно разобщены. В гетероцистах из-за поте-
ри некоторых компонентов фотосистемы 11 не происходит фото-
синтетическое образование молекулярного кислорода. Транс-
порт экзогенного кислорода ограничен особым строением обо-
лочек гетероцист, содержащих специфические гликолипиды. Мо-
лекулы кислорода, все же проникшие в гетероцисты, нейтрали-
зуются в процессе дыхания.
Многие аэробные бактерии. не обладающие достаточно эф-
фективными системами защиты нитрогеназы от молекулярного
кислорода, способны к азотфиксацпн только в мпкроаэрофиль-
'Ных условиях. У некоторых цианобактерий процессы азотфикса-
ими и фотосинтеза могут быть разобщены во времени.
§ 10.	ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Рост бактерий в естественных условиях почти всегда лими-
тирован недостатком пищи. Поступление пищевых субстратов
происходит неравномерно во времени и пространстве, поэтому
7 Заказ A-i 161	97
принято характеризовать места обитания микроорганизмов е
терминах усредненного потока пищевых веществ за день. На.
пример, поток органического углерода в эвтрофных пресны^
озерах составляет около 5 мг/л в день, а в олиготрофных — це
превышает 0,1 мг/л. Сходным образом определяются олиготроф.
ные районы морей и оксанов. Открытый океан — типичный при.
мер олиготрофного места обитания, среднее содержание орга-
нического углерода в Мировом океане 1,36±0,20 мг/л. В воде
морей, океанов и впугриконтинентальных водоемов содержание
органического вещества (>мг/л) в сотни и тысячи раз меньше,
чем во многих традиционных бактериальных питательных сре-
дах:
Водоем ы:
Байкал	1—2
Тихий океан	1,5- 2,0
Каспийское морс	3—-5
Рыбинское водохранилище	7—15
Питательные среды:
Бульон	4000
Мясо-пептоппая желатина	54 000
Список органических соединений, находящихся в морской воде,
довольно значителен. Эго разнообразные углеводы, в том числе
пентозы и гексозы (0,01 —1,0 мг/л), белки, полипептиды и ами-
нокислоты (1 —100 мкг/л), липиды, содержащие насыщенные и
ненасыщенные жирные кислоты с длиной цепочек от Ci2 до Си
(0,1—0,01 мкг/л), а кроме того, биологически активные вещест-
ва — витамины, гормоны, ферменты и антибиотики. Большая
часть этих органических соединений находится в морской воде
ле в виде индивидуальных соединений, а в сложных комплек-
сах, в том числе с неорганическими веществами.
Естественные среды обитания бактерий гетерогенны, и даже
в условиях весьма низкого потока органического углерода в от-
дельных местах может создаваться высокая концентрация орга-
нических веществ в результате скоплений экскретов, отмерших
организмов и т. п.
Бактерии, существование которых в природе зависит от их
способности размножаться в местах с .низким пищевым потоком
углерода — до 0,1 мг/л в день, относятся к олиготрофам (грея,
oligos — малый, trophe— пища). Организмы, не только спо-
собные расти на богатых питательных средах, но и предпочи-
тающие изобилие пищевых веществ, относят к копиотрпфаМ
(греч. copiosus — изобилие, trophe — пища). Наличие нишевых
субстратов в высоких концентрациях — необходимый фактор
конкурентоспособности копиотрофов в естественных обитаниях-
Копиотрофы .развиваются в условиях пищевого потока, по край-
ней мере в 50 раз большего по сравнению с благоприятным
для развития ол’иготрофов.
вя
Олиго!рофныс виды встречаются среди представителей мно-
гих родов бактерии, их можно классифицировать в зависимо-
сти от особенностей отношения к органическому субстрату:
Характеристика:
Растут на органической среде толь-
ко в нервом посеве пробы, нс вы-
держивают пересевов
При первом посеве пробы растут
только на бедных средах, но в по-
следующих псресснах растут на бо-
гатых средах
Бактерии выделяют п культивиру-
ют на специальных бедных средах
Не культивируются в лабораюр-
иых условиях. Обнаружены в при-
родных водоемах при кзученнп проб
в электронном микроскопе
Организмы:
Бактерии необычной морфологии:
бобовидные, тороидальные, треуголь-
ные, шестиугольные, звездчатые клет-
ки и т. и.
Pseudomonas, Agrobacterium, Pho-
lobacterium, Vibrio, Aeromonas, Pla-
eolmclerium, Micrococcus, Staphylo-
coccus, Corynebacterium, Arthrobac-
ter
llyphomicrobitim, Cuulobacier, Mic-
rocychts, Leptothrix, Ochrobium; Me-
laliogemum
Простековые бактерии; некоторые
бактерии с газовыми вакуолями
Иногда бактерии, выделенные как олпготрофы, в процессе
культивирования становятся копиотрофами. Природа спонтан-
ного изменения трофической природы бактерии пока остается
неясной.
Олиготрофные бактерии являются типичными обитателями
водоемов и почв. Многие олпготрофы обладают необычной мор-
фологией, сложным циклом развития и дифференцировкой кле-
ток. Нередко олиготрофные бактерии снабжены простеками —
окруженными клеточной! стенкой выростами клетки. Такие бак-
терии называют простекобактери.чми.
Среди простековых бактерий различают две группы: бакте-
рии, у которых простека играет роль в репродукции клеток, и
бактерии, у которых простеки не имеют значения для процес-
сов репродукции клеток, а их образование может быть индуци-
ровано или репрессировано в ответ на стимулы окружающей
среды.
К простсковым относятся бактерии с разнообразной морфо-
логией (рис. 12).
В водоемах простскобактерии распространены широко и не-
редко имеют определенные места обитания. Этому способству-
ет наличие прикрепительных дисков, газовых везикул, способ-
ность к образованию обрастаний. Так, Caulobacter концентри-
руется в нсйстонной пленке, а в водной толще, как показыва-
ют электронно-микроскопические наблюдения, нередко прикреп-
ляется к частицам детрита или к клеткам микроорганизмов.
Planciotnyces может образовывать розетки и является типич-
ным планктонным организмом, обитателем главным образом хо-
рошо прогреваемых поверхностных слоев воды. Hyphomicrobium
7*	«9
в больших количествах обнаружен в обрастаниях на твердо»
субстрате.
Большинство простековых бактерий не растет на стандарт
ных лабораторных средах. Общим свойством этих бактерий яв
ляегся способность расти с сохранением типичной морфологи}
только при незначительной концентрации органического субст
Рис. 12. Простсковые и почкующиеся бактерии (по: Hirsh, 1974).
I- Ifypliomlcrobitim, Q-Pedomicroblii’ii, 3 Pax tea ria, 4 -Plastobacle.r, 5, 6—
Planetornyces, /“—Грибовидные бактерии, 8—Seliberia, У—AnralOfHierobium, 10—
ProslhecomLcrobium, I!-Caulobacter, ly—Asticcacaulis, i:i—Stella, Ii — Ihioilendron.
рата в среде. При увеличении концентрации питательного суб-
страта простеки уменьшаются или исчезают совсем.
В бедных средах и в природе у Caulobacter длина стебель-
ков может достигать 20 мкм, а при культивировании на отно4
ситсльно богатых питательных средах не превышает 3 мкм. В
простеках Caulobacter отсутствуют рибосомы, ДНК. нет НАД-
оксидазы, дегидрогеназы, т. е. отсутствуют биосинтетические
процессы, но присутствуют белки, связанные с процессами
транспорта веществ в клетку, и ферменты энергетического оки-
слительного метаболизма (цитохромы, щелочная фосфатаза И
др). Глюкоза может накапливаться внутри простеки до кон-
центраций, в 60—200 раз превышающих наружные. Таким об-
100
разом, простски физиологически специал-паированы, они преж-
де всего обеспечивают поступление веществ в клетку.
Олиготрофы обладают системами транспорта веществ, кото-
рые способны функционировать в условиях ничтожно низких
(по сравнению с внутриклеточной) концентраций питательных
веществ в окружающей клетку среде.
Особенность этих систем состоит в том, что они проявляют
низкую специфичность к субстратам. Последнее, создает значи-
тельные преимущества для олиготрофов: каждый транспортный
сайт участвует в поглощении различных субстратов. Однако
низкая специфичность транспортных систем может привести к
поглощению неутилпзнруемых данным организмом веществ,
что иногда имеет для клетки неблагоприятные последствия.
Транспортные системы олиготрофов бывают двух типов. Во-
первых, это системы с высоким аффинитетом к молекулам суб-
страта (КП110~9М), они находятся в репрессированном состоя-
нии только при высоких концентрациях субстрата; порог реп-
рессии этих поглощающих систем достаточно высок: только
при изобилии или непрерывном поступлении питательных ве-
ществ системы высокого аффинитета не синтезируются олигот-
рофной клеткой.
Второй тип транспорных систем — ииидуцибельиые системы
с низким аффинитетом к субстратам (КП110-6М). Пороговый
уровень концентрации субстрата для этих систем транспорта
относительно низкий: поглощающая способность клетки увели-
чивается незамедлительно в ответ на появление субстрата. Для
его переноса олиготрофы используют в системах транспорта
протонный градиент, субстрат при этом химически не модифи-
цируется. Протондвижущая сила у аэробных олиготрофов обес-
печивается дыханием, поэтому прекращение дыхания для них
означает исчезновение градиента концентрации протонов и ги-
бель. Ограниченные ресурсы клетки и среды олиготрофы тра-
тят прежде всего на обеспечение энергетического метаболизма
и лишь во вторую очередь па биосинтетические нужды.
При развитии олиготрофов в бедной среде накопление суб-
страта в необходимом для роста и деления клетки количестве
может длиться довольно долго, а иногда пища вообще отсутст-
вует. Чтобы сохранить свою целостность и активность в эти пе-
риоды. олиготрофы должны иметь «резервы», т. е. клетки обе-
спечивают себя энергией исключительно за счет эндогенных
субстратов. Поэтому у олиготрофов очень выражена способ-
ность к накоплению резервных веществ даже при их развитии
в бедных средах. В качестве резервных полимеров бактерии
накапливают поли-р-гидроокоимасляную кислоту (ПОМ), по-
лиглюкозу или полифосфаты. Клетки бактерий, содержащие
ПОМ или полиглюкозу, лучше переживают периоды голодания,
чем клетки, лишенные резервных полимеров. В качестве ре-
зервного вещества ПОМ имеет ряд преимуществ для олнготро-
10)
фов по сравнению с полиглюкозой. В отличие от синтеза пол#,
глюкозы синтез ПОМ не требует АТФ. Для мобилизации HOty
также не тужен неорганический фосфат, доступность которого
для бактерии в олиготрофных условиях ограничена. Олиготро,
фы способны аккумулировать ПОМ даже п.ри росте на среде,
бедной соединениями углерода, ферменты синтеза ПОМ у них
конститутивны. Это уникальная особенность олиготрофов.
Обычно бактерии накапливают ПОМ в условиях избыточной
концентрации источника углерода и используют ПОМ при его
истощении.
Синтез и мобилизация резервных полимеров у олиготрофов
регулирую гея не промежуточными метаболитами, а транспорт-
нымм системами, которые «запускают» синтез резервных поли-
меров, когда осуществляется поглощение веществ, и мобилиза-
цию резервов, когда поступление пищи прекращается. В усло-
виях голодания резервные вещества клетки окисляются в про-
цессе дыхания, 'И олиготрофы осуществляют биосинтез только
для целей репарации, но по размножения.
Отличительной чертой олиготрофов является то, что интен-
сивность биосинтетических процессов зависит от скорости по-
глощения субстратов системами транспорта, но ие от концент-
рации конечных метаболитов, Полагают, что. центральным ре-
гулятором при этом служит кофактор, или 'интермедиат, пут#
образования резервного полимера. Этот регулятор «запускает»
биосинтез только в условиях, когда насыщены все сайты транс-
порта и мобилизации резерных веществ нс потребуется для
обеспечения биосинтеза веществом и энергией. Биосинтез функ-
циональных макромолекул регулируется в соответствии со ско-
ростью поглощения субстратов: как только скорость снижается;
биосинтез приостанавливается еще до того, как пул метаболи-
тов значительно снизится. В этих условиях продолжаются лишь
процессы, необходимые для завершения репликации хромосо-
мы, и некоторые другие, связанные с окончанием определенной
стадии клеточного цикла.
В отличие от копиотрофов олиготрофы обычно не синтезиру-
ют изофор мен гы.
Процессы диссимиляции и биосинтеза в олиготрофных усло-
виях идут медленно, скорость роста олиготрофов также невы-
сока, ие сопоставима со скоростями роста копиотрофных бакте-)
рий. Например, время генерации олиготрофных бактерий, оби-
тающих в открытом океане, находится в диапазоне от 20 до 200
часов, а у Е. coli — 10—20 мин.
Низкая субстратная специфичность и конститутпвпость си-
стем транспорта олиготрофных бактерий имеет для них небла-
гоприятные последствия и может ограничивать их распростра-
нение. Клетка поглощает не обязательно именно то вещество,
которое ей необходимо, но прежде всего то, которое преоблада-
ет в окружающей среде. Это может привести к дисбалансу об-
102
мена веществ и в конечном итоге к гибели клетки в среде с вы-
сокими концентрациями тех или иных веществ. Системы транс-
порта ие способны дискриминировать вещества, поэтому нс пре-
пятствуют поступлению в клетки токсичных веществ, в том чис-
ле биоактивных и продуктов метаболизма других организмов.
Отсутствие регуляторных механизмов, видимо, должно ограни-
чивать распространение олиготрофов в средах, богатых органи-
ческим веществом, а также в плотных микробных сообществах.
Поскольку репродуктивный ответ олиготрофов па появление
пищевых -субстратов -происходит (медленнее, чем у коииотрофов,
в условиях непрерывного пищевого потока популяции коппот-
рофов используют запасы пищи, быстро размножаются и чис-
ленно доминируют над олиготрофами. Однако если период по-
ступления пищи был короче цикла репродукции коппотрофов,
олнгогрофы за счет использования накопленных гнпцовых ре-
зервов получают преимущество и начинают доминировать в ис-
тощенной среде.
Олпготрофы весьма- широко (распространены в природе и во
многих случаях численно доминируют над копиотрофными бак-
териями.
Типичными представителями копиотрофных бактерий явля-
ются £'. coli и многие другие хорошо изученные гетеротрофные
бактерии. Жизнеспособные клетки копиотрофных бактерий
обычно легко можно обнаружить в олиготрофных местах обита-
ния, где их устойчивое существование невозможно. В условиях
голодания или при отсутствии достаточного количества пищи
такие бактерии в течение некоторого времени сохраняют жиз-
неспособность. В отсутствие роста может продолжаться их де-
ление и в результате образуются мелкие клетки, обозначаемые
в литературе как «ультрамикробактерии», «ультрамикроклет-
ки», «минибактерии», «карлики». Такие клетки проходят через
фильтры с порами диаметром 0,2 мкм и иногда невидимы в све-
товом микроскопе. УльтрамикроклетК(П различных бактерий
можно обнаружить в воде и почве. Они являются первыми ко-
лонизаторами поверхностей погруженных в море предметов,
например предметных стекол. Через 12—24 ч после прикрепле-
ния к поверхности ультрамнк-роклетки принимают форму и до-
стигают размеров нормальной бактерии. Среди морских бакте-
рий. образовывавших ультрамикроклетки, обнаружены предста-
вители родов Aeromonas, Alcaligenes, Piavobacieriutn, Pseudo-
monas, Vibrio.
Миниатюризация бактериальных клеток, по-видимому, явля-
ется приспособлением к существованию в условиях голодания.
Уменьшение объема клетки и соответственно увеличение ее
удельной поверхности облегчает транспорт веществ в клетку
из окружающей среды. Ультрамикроклетки жизнеспособны и
могут немедленно приступить к поглощению питательных суб-
страюв, если таковые появятся. При этом эффективность
103
транспорта у них даже выше, чем у нормальных клеток. Голо,
дающие клетки штамма Vibrio Ant-300 округлые, их диаметр
около 0,5'Мкм, тогда как размеры неголодающих 1X4 мкм,
Клетки этого штамма, голодавшие в течение 30 дней, поглоща.
ли предоставленные им аминокислоты более интенсивно, чем
исходные клетки: интенсивность поглощения ими глутаминовой
кислоты, например, возрастала в 30 раз. Голодающие клетки
кои'иотрофных бактерий обладают системами активного транс,
порта веществ с высоким аффинитетом к субстратам
(К»1Ю’ЯМ). У грамотрицательных бактерий в условиях голо-
дания основное значение приобретают системы транспорта,
включающие нериплазматическне. белки-персиосчики и энергд.
зуемые за счет АТФ.
§ 11.	СОЕДИНЕНИЯ И ИОНЫ,
ТОКСИЧНЫЕ ДЛЯ БАКТЕРИЙ
Возможность процветания тех или иных видов бактерий за-
висит не только от доступности необходимых для их жизни
.элементов, но и от способности клеток противостоять действию
веществ, для них ядовитых. Полное отсутствие в среде токсиче-
ских для организма веществ является событием, по всей види-
мое™, крайне редким. Многие вещества могут быть полезными,
безразличными или вредными в зависимости от их концентра,-
ции в среде и конкретных условий существования организма.
Есть и вещества, например соли золота, урана, ртути и др;,
для бактерий не только бесполезные, но и угнетающие их даже
в очень низких концентрациях.
Действие токсических для бактерий соединений может быть
бактериостатическим или бактерицидным. Бактериостаз (грех,
bakterion — палочка, stasis — стояние на месте) —задержка
роста и размножения бактерий, вызванная действием неблаго-
приятных химических пли физических факторов. Прекращение
действия фактора приводит к возобновлению роста и деления,
хотя при длительном его воздействии может начаться гибель
клеток, т. с. фактор проявляет бактерицидность (лат. caedere —
убивать). Во многих случаях вещество в невысоких концентра-
циях обладает бактериостатическим, а в высоких бактерицид;
ным действием. Присутствие в природных средах соединений,
токсических для бактерий, приводит к уменьшению их видового
разнообразия и появлению устойчивых форм.
Степень токсичности вещества для данной бактерии выра-
жается через пороговую концентрацию, после достижения ко-
торой вещество становится бактерицидным, а также определя-
ется его «концентрационной экспонентой» п. После достиже-
ния пороговой концентрации токсичного вещества наблюдается
полулогарифмическая зависимость степени отмирания клеток
бактерий от времени, log числа погибших клеток находится в
J 04
линейной зависимости ог времени воздействия. Концентрацион-
ная экспонента п рассчитывается по формуле:
_ log л - log а
10g С, — log С'2 '
где С, — большая и С2 — меньшая 'концентрация вещества,
А — время гибели определенной части клеток цри концентра-
ции С2, В — то же при концентрации Сь
Показатель п характеризует 'вещество, а не организм: п фе-
нола 6, формальдегида и сулемы 1, этанола 9. Для фенола при
п (i разведение в 3 раза означает падение активности в 3е, т. с.
в 729 раз. Различны в чувствительности разных бактерий к оп-
ределенному веществу зависят главным образом от значений
их пороговых концентраций.
Антисептики (греч. anti — протнво, septicos — гнилост-
ный) — бактерициды, используемые в практической деятельно-
сти человека. Антисептики применяют в медицине при лечении
ран, для дезинфекции, в пищевой промышленности для защи-
ты продуктов от порчи, для лредохранени от гниения деревян-
ных сооружений и т. п. Очевидно, что для бактерий антисепти-
ки являются важными экологическими факторами.
Бактерициды относятся к различным группам органических
и неорганических веществ. Это могут быть спирты, альдегиды,
фенолы, жирные кислоты, галогеновые соединения, металлы и
т. д. Механизмы действия бактерицидов разнообразны.
Высокотоксичны для бактерий сильные окислители, многие
из которых используют в качестве антисептиков. Это перекись
водорода, перманганат калия, галогены, озон, оксид этилена и
др. Для обеззараживания питьевой воды широко применяют
озон и хлор. Хлор гидролизуется в воде с образованием хлор-
новатистой кислоты ПОС1, которая обладает сильными бакте-
рицидными свойства М'и.
Повсеместное в настоящее время загрязнение среды отхода-
ми производств может неблагоприятно влиять и па развитие
бактерий. Одним из самых распространенных неорганических
поллютантов, загрязнителей сроды, является SO2 — сернистый
газ. Это бесцветный газ, хорошо растворимый в воде, примесь
продуктов сгорания топлива. После растворения он быстро гид-
ратируется и превращается в сернистую кислоту, которая при
Диссоциации образует сульфитные и бисульфитные попы:
SO -1- 1 i,0 H2SO;1 i IISO3 SO5“.
На равновесие между различными продуктами влияют pH,тем-
пература и ионная сила раствора. Наиболее токсична для бак-
терий недиссоцинрованная Н250з, но в этой форме она нахо-
дится только при pH ниже 2,0. В диапазоне значений pH от 1,8
До 7,2, физиологических для большинства бактерий, доминиру-
105
ст пол HSO:7. Последний может реагировать с альдегидными ц
котонными группами гексоз ,и пентоз, по дисульфидным связям
с белками, с НАД, ФМН, ФАД, инактивирует пРНК, нарушает
транспорт веществ, вызывает дезаминирование цитозина а
ДНК, в присутствии аминов 'Вызывает сшивки ДНК с белком.
При pH выше 9 присутствует только анион SO5-, для бакте-
рий мало токсичный. Таким образом, токсичность бисульфита а
значительной степени зависит от значения pH среды. Растворя-
ясь в каплях воды, сернистый газ делает дождь кислым. Здесь
присутствует также сорная кислота, ее токсичность зависит
ТОЛЬКО ОТ Н+-ИОПОВ.
Катионные антисептики — это разнообразные соединения, в
молекулах которых присутствуют сильноосновные группы, свя-
занные с липофильными участками. Уже в невысоких концент-
рациях эти вещества нарушают функции мембран, в частности
работу мембранного АТФазиого комплекса. Хлоргексидин, от-
носящийся к этой группе веществ, .находит практическое при-
менение в медицине.
Бактериостатическим, а при высоких концентрациях бакте-
рицидным действием обладают красители. Как уже упомина-
лось, многие красители при освещении обусловливают фотоди?
на.мический эффект, однако они могут быть эффективны и в от-
сутствие света. Чувствительность различных форм бактерий к
определенным красителям может существенно различаться, по-
этому среды с красителями,например генпланом фиолетовым, ме-
таниловым желтым, ализарином, оранжевым G и др., являются
селективными и их используют в качестве диагностических и
дифференциальных при выделении определенных бактерий.
Ионы тяжелых металлов в невысоких концентрациях сти-
мулируют развитие тех или иных .микроорганизмов, так как яв-_
ляются для них необходимыми микроэлементами, входящими s
состав тех или иных ферментов. Стимуляцию развития микро-
организма иногда .можно наблюдать и яри невысоких концент-
рациях солей свинца, кадмия и других металлов, очевидно, не
являющихся необходимыми микроэлементами. Например, кад-
мий в концентрации 20 частей на миллион стимулировал poef
Lactobacillus acidophilus и в концентрации 5— 10 частей на мил?
лион — рост Streptococcus faecalis, хотя при концентрации 40
частей угнетал развитие обеих этих бактерий. Стимуляция ме-
таболизма микроорганизмов невысокими концентрациями ток-
сических соединений может объясняться так называемым эф-
фектом Арндт—Шульца, заключающимся в том, что аккуму-
ляция яда в нелетальных концентрациях на поверхности клет-’
ки изменяет проницаемость мембраны, нарушает ее барьерные
функции, что определяет свободное поступление нищи в клет-
ку и соответственно усиление метаболизма.
При увеличении концентрации солей тяжелых -металлов на-
106
чпнает проявляться их токсический эффект. В естественных ус-
ловиях в отсутствие антропогенного загрязнения содержание
солей Си, Zn, Ni и других .металлов может достигать сотых и
даже десятых долей процента. Воздействие человека на окру-
жающую среду привело к повышению концентрации тяжелых
металлов в водоемах, почве и даже атмосфере. Токсическое
действие могут оказывать также ноны мышьяка и сурьмы, если
концентрация их солеи достигает 0,001 —1,0 г/л.
Знания о характере взаимодействия тяжелых металлов с
микроорганизмами представляют большой интерес для решения
вопросов общей экологии. Так, при экологическом нормирова-
нии предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в
водоемах имеют значение сведения о концентрациях тяжелых
металлов, вызывающих в водоемах и почве гибель отдельных
видов микроорганизмов и разрушение .их сообществ, а также
падение продуктивности сообществ н снижение скорости мик-
робной деградации органического вещества. Важна оценка
вклада микроорганизмов в трансформацию соединений тяже-
лых металлов и детоксикацию природной среды. Такого ро-
да данные необходимы для прогнозирования состояния окружа-
ющей среды в условиях загрязнения и разработки охранных
мероприятий.
В качестве токсичных для П. coli в литературе указаны сле-
дующие концентрации солей тяжелых металлов (мг/л):
А'йХОз— 6: CdCl2—20; СоС12-6Н2О —23; HgCl2 — 3; NiCl=-
•6Н2О — 23.
Для Azotobacter как токсичные указаны следующие концент-
рации (мг/л): Na2HAsO4— 19; AgNO3 —6; CdCI2— 74; CoCl2 —
13; CuSO4-5H2O — 25; IIgCl2 —7,4; Ni (NO3) 2 • 6H2O —29;
Sb2O3SbOCl — 47; UO2 (NO3) 2-6H2O — 50.
Следует иметь в виду, что вышеуказанные величины весьма
условны. Действие ионов тяжелых металлов зависит от состава
среды и природы соответствующих солей. Токсичность в силь-
ной степени зависит от того, присутствует ли металл в виде
свободного иона в растворе или в составе в основном недиссо-
иппрованной соли, а также входит ли данный элемент в состав
органических пли неорганических комплексных соединений. Не-
Диссоциированные соли и металлы, входящие в состав комплек-
сов, обычно менее токсичны, чем свободные ионы в тех же мо-
лярных концентрациях. В природных условиях и особенно в ус-
ловиях лабораторных сред значительная часть ионов обычно
входит в хелагиые комплексы с органическими и неорганиче-
скими лигандами. Hai степень токсичности соединений тяжелых
металлов, мышьяка и сурьмы влияет также присутствие конку-
рирующих катионов или анионов независимо от того, токсичны
они пли нет.
Наиболее чувствительны к действию металлов цианобакте-
рии, наиболее устойчивы некоторые тионовые бактерии. Наибо-
167
лее токсичны обычно IIg2+ н As1-, степень токсичности разны;
металлов для разных видов бактерий, а также механизмы тсщ
сического действия тяжелых металлов, 'мышьяка и сурьмы ц,
бактерии могут быть различными. Их действие на клетки ноец^
преимущественно неспецифический характер — металлы влц^
ют па многие стороны метаболизма. Они легко взаимодейст
вуют с различными электрондонорными группами в составе ор
панических соединений, образуя комплексы с гидроксильными
карбоксильными, фосфатными и аминогруппами и ковалентны!
связи с сульфгидрильными группами. Поэтому эти ионы оно
собны соединяться с белками, нуклеотидами, коферментами
фосфолипидами, порфиринами, т. е. практически со всеми клас
сами веществ, участвующих в метаболизме клетки. Ингибирс
ванне тяжелыми металлами активности мсталлоферментов мо
жет быть связано с замещением специфического катиона.
Поны тяжелых металлов часто вызывают нарушения функ-
ций цитоплазматической мембраны. Угнетение функций мем-
браны является главным механизмом токсического действия
ионов ртути и серебра, в основе таких эффектов лежит взаимо-
действие металлов с сульфгидрильными группами мембранных
белков, хотя этот механизм не является единственным.
В присутствии ионов тяжелых металлов обычно наблюдает-
ся угнетение дыхания, механизмы этого эффекта могут быть
•различными, но в некоторых случаях предполагают непосредст-
венное взаимодействие металлов с компонентами дыхательной
цепи. Угнетение дыхания может определяться также нарушени-
ем транспорта его субстрата. У фототрофов тяжелые металлы
нарушают фотосинтез, причем фотосинтез чувствительнее ды-
хания. Ионы ртути и меди ингибируют фотосинтез в концентра-
ции 10~8М. другие металлы — в концентрациях 10~7—10-5 М.
У цианобактерий ртуть связывается с белками тилакоидов.
Наиболее общим эффектом действия тяжелых металлов яв-
ляется ингибирование синтеза белка и РНК или нарушение
координации этих процессов.
Тяжелые металлы могут оказывать мутагенное действие.
Ионы свинца, конкурируя с ионами железа, ингибируют прев-
ращение копропорфириногена в протопорфиримоген и наруша-
ют путь биосинтеза гемов, например у Rhodobacler aphaeroides.
Тяжелые металлы ингибируют синтез рибофлавина и витамина
В)2, у азотфиксаторов нарушают процесс азотфиксацип. Ток-
сичность может быть связана с тем, что элементы могут играть
роль антиметаболитов, образовывать стабильные соединения с
важными метаболитами, инактивируя .их таким образом, пли
катализировать их распад.
Бактерии способны концентрировать тяжелые металлы
внутри клеток или в поверхностных структурах, извлекая их
из весьма разбавленных растворов. Эта способность является
характерным свойством определенных штаммов. Извлечение
108
.еталлов из среды в .некоторых случаях бывает почти полным.
Конечная концентрация -металла в клетках иногда на несколь-
ко порядков -выше его концентрации >в окружающей среде. В
некоторых случаях накопление соответствующих металлов ле-
тально, в других — вег. Это явление находит практическое ис-
пользование, но биологический смысл его неясен.
Коэффициенты концентрирования (концентрация элемента в
микроорганизме/ концентрация в среде) различны для разных
микроорганизмов и элементов. Например, для бора это 0,13—
29, для селена и урана - - 18—257. Концентрирование элемента
нелинейно зависит от его содержания в среде, часто резко воз-
растая при достижении определенного порога концентрации.
Для микроорганизмов, обитающих в неодинаковых геохимиче-
ских условиях, пороговые концентрации элемента различны.
Ограничение поглощения элемента из среды—один из меха-
низмов адаптации к существованию при повышенных концент-
рациях данного элемента. Как будет описано в дальнейшем,
для некоторых элементов уже дыяснсны механизмы такого ог-
раничения.
Металл в клетках накапливается до определенной (насы-
щающей) концентрации, после чего дальнейшее увеличение со-
держания металла в среде нс усиливает его поглощения клет-
ками.
В клетках бактерий кишечной группы может накопиться до
90 мг кадмия на 1г сухой биомассы. Клетки Azotobacter sp.
и Micrococcus luteus способны аккумулировать до 300 и со-
ответственно 490 мг свинца на 1 г сухой биомассы. Процесс
аккумуляции элемента во времени может протекать по-раз-
ному. Иногда скорость процесса нарастает очень быстро, и
максимальное накопление металла в клетках достигается че-
рез несколько секунд после начала их контакта. В других
случаях для насыщения клеток требуется около часа. Иног-
да поглощение металла идет в две стадии: различают более
быструю и более медленную стадии. Высокая скорость этого
процесса характерна для тех случаев, когда он никак не свя-
зан с жизнедеятельностью клеток.
Существует большое разнообразие в распределении акку-
мулированных металлов. Накопление ртути, кадмия, серебра
и урана происходит в основном в результате адсорбции их
на поверхности клеток.
Ионы меди, цинка, никеля, кобальта, свинца, стронция, а
иногда также кадмия и урана в основном транспортируются
внутрь клеток, хотя часть ионов металла связывается с их
поверхностью.
Активный транспорт Zn2+, Ni2+, Со24, Sr2+,	Cd2+, как
правило, осуществляется системой транспорта Mg2+, а иног-
да системой транспорта Мп21 ц Са2+.
1
Состав 11 характер миграции элементов различен в р;)3.
пых биогеохимических провинциях. Различают два рода био,
геохимических провинций — естественные и техногенные
возникающие в результате разработки месторождении рмд’
вых тел, развития металлургической и химической промьцц.
леиности, применения удобрений в сельском хозяйстве и т.
У микроорганизмов, обитающих в различных биогеохпмиче.
ских провинциях, обнаруживаются различия в их отношении
к ионам тяжелых металлов, С. В. Логуновой и В. В. Ковалы
еким было установлено, что микроорганизмы, выделенные
из озер и почз с повышенным содержанием Со, Си. Mo, U и
V, относительно устойчивее к этим элементам, хотя различ-
ные формы одного сообщества могут в этом отношении весь-
ма сильно различаться. Этими исследователями было пока-
зано, что среди актиномицетов и микобактерий имеется три
группы штаммов ио степени их устойчивости к хлориду ко-
бальта: формы, рост которых не угнетается до концентрации
240 мг/л, 100 и 05 мг/л соответственно. Среди штаммов, вы-
деленных из мест обитания, богатых кобальтом, преоблада-
ли представители первой и второй групп, и наоборот, фор-
мы, выделенные из мост обитания, бедных кобальтом, были
в основном чувствительны к его избытку, т. е. относились к
третьей группе. Аналогичным образом у 79,5% культур бак-
терий, выделенных из донных осадков оз. Иссык-Куль, рас-
положенного в урановой геохимической провинции, роет не
подавлялся при содержании ацетата уранила 20 мг/л, тогда
как среди штаммов, выделенных в Подмосковье, только
21,2% росли при этой концентрации, У 20% штаммов, выде-
ленных из илов с низким содержанием урана, рост был по-
давлен уже при содержании ацетата уранила 1 мг/л. Адап-
тация бактерий к определенной концентрации урана в среде
обитания была выявлена и при сравнении устойчивости к
этому элементу у штаммов одного и того же вида, выделен-
ных из плов оз. Иссык-Куль и подмосковного пруда. Так;
71,5% штаммов В. niegalerium и 80% штаммов В. mesenteri-
cus, выделенных из илов оз. Иссык-Куль, обладали способ-
ностью хорошо расти при концентрации ацетата уранила
вплоть до 20 мг/л, тогда как рост 58% штаммов В. megateriiun
и 80% штаммов В. mesentericus, изолированных из ила под-
московного пруда, был возможен только при низких концент-
рациях уранила — до 0,5—2 мг/л. Более подробно вопрос о
структуре популяций различных видов бактерий, обитающих
в тех или иных условиях среды, будет рассмотрен в соответ-
ствующем разделе книги.
Изучение, особенностей отношения бактерий из различных
мест обитания к солям молибдена, меди, вана щя, селена,
бора и др. выявило аналогичные закономерности.
Формы с различной степенью устойчивости к тем илЛ
11(1
иным солям тяжелых металлов присутствуют в cociane. лю-
бых сообществ бактерии. Как было установлено в работах
кафедры микробиологии ЛГУ, логарифм числа колоний, об-
разуемых на органической среде бактериями пресноводного
пладакюна, находится в линейной зависимости от логарифма
концентрации в этой среде солеи Со, Си и 7.п (рис. 13).
На кафедре биологии почв МГУ была изучена реакция
микробной системы почвы на градиент концентрации тяже-
лых металлов методом
•инициированного мик-
робного сообщества.
Сущность этого метода
заключается в инициации
источником энергии, на-
пример крахмалом, раз-
вития микроорганизмов
в почве в условиях ла-
бораторного опыта. Вне-
сение соединений свинца
'или кадмия в низких
концентрациях в разные
почвы вызывало некото-
рую стимуляцию разви-
тия инициированного со-
общества. При увеличе-
нии концентрации этих
соединений наблюдали
постепенное ингибирова-
ние в, наконец, полное по-
Рис. 13. Зависимость числа колоний от до-
зы (концентрации) солей тяжелых метал-
лов при посевах бактерий пресноводного
планктона из озера в Карельской АССР.
/-CoCla; 2—CuSO,; .7-ZnCI3.
давление жизнедеятельно-
сти сообщества. Кроме то-
го, наблюдали доминиро-
вание различных микро-
организмов при разных
концентрациях тяжелых
металлов. Весь диапазон толерантности сообщества можно раз-
делить на несколько участков, характеризующихся изменениями
структуры и состава сообщества.
Как зона стресса микробной системы почвы рассматри-
вается диапазон концентраций тяжелых металлов, .в котором
состав сообщества остается практически неизменным, а
структура подвергается значительным изменениям, т. е. про-
исходит перераспределение популяций по степени доминиро-
вания. Общая масса микроорганизмов в этой зоне сильно
Варьирует. В зоне стресса степень загрязнения почв такова,
Что возникают первые нарушения в микробном сообществе.
Зона резистентности микробной системы почвы определяется
Диапазоном концентраций тяжелых металлов, в котором про-
111
исходит резкое снижение видового разнообразия и смена со-
става сообщества. Активно развиваются устойчивые, к высо-
ким 'Концентрациям металлов популяции. Для этой зоны ха-
рактерна стабильность общей биомассы микроорганизмов со-
общества. В зоне резистентности негативный эффект от за-
грязнения приводит к полному изменению доминирующих
форм микробного сообщества, характерного для данной поч-
вы. Зона репрессии микробной системы почвы — диапазон
концентраций тяжелых металлов, в котором наблюдается
практически полное подавление развитии микроорганизмов в
почве. Концентрации металлов в зоне репрессии микробной
системы почв намного превышают дозы, при которых полно-
стью подавлено развитие микроорганизмов в опытах с чис-
тыми культурами. Это определяется защитными свойствами
самой почвы, где возможности для адсорбции и хелатирова-
ния металлов различными почвенными компонентами несрав-
ненно выше, чем в питательной среде. По тем же причинам
максимумом устойчивости обладают черноземы, а миниму-
мом — подзолистая почва. В этих опытах активность кадмия
оказалась в 30 раз выше, чем свинца, растворимые соли бы-
ли в 2—3 раза эффективнее слабораетворимых окислов.
При рассмотрении результатов изучения резистентности к
тяжелым металлам представителей природных сообществ
микроорганизмов обращает на себя внимание, присутствие в
составе сообщества форм с краппе высокой устойчивостью к
использованным солям тяжелых металлов, что никак не мо-
жет быть прямо связано с особенностями их 'Местообитания
(чистое озеро в Карельской АССР). В литературе имеются со-
общения об 'исключительной устойчивости бактерий различ-
ных групп, выделенных из озерной воды и почвы, к ионам
Pb2+ Hg2*, Си2* и Cd24", которые в концентрации порядка
102 — 103 мг/л не действовали на их рост. Устойчивые «микро-
организмы могут быть выделены из природных источников, в
которых они не имели контакта с тяжелыми металлами, и из
клинического материала.
Очевидно, однако, что способность к защите от токсиче-
ского действия солей тяжелых металлов может иметь для
бактерий жизненно важное значение, соответственно у них
обнаруживаются высокоспецифическпе механизмы устойчиво-
сти. Гены, определяющие эти механизмы устойчивости, нахо-
дятся иногда в хромосоме, но чаще в плазмидах, часто, хотя я
не всегда, они соединены с генами устойчивости к антибиоти-
кам.
В лаборатории американского ученого Симона Сильвера бы-
ло установлено, что плазмиды множественной устойчивости мо-
гут содержать гены, определяющие устойчивость к мышьяку я
сурьме, у S. aureus и Е. coli имеются соответствующие индуцН'
бельные опероны. Такой оперой в равной мерс индуцируется
] 12
арсенатами, арсенитами или трехвалентной сурьмой. Однако
устойчивость к арсенату, арсениту или сурьме определяется
разными генами. Арсенаты поступают в клетку за счет работы
фосфат-транспортпой системы и являются конкурентами фосфа-
тов в этом отношении. Устойчивость к арсенату определяется
снижением его содержания в клетке за счет работы специфиче-
ской активной энергозависимой системы его выброса из клетки.
Эта пндуцибельиая система выноса арсената из клетки специ-
фична и не транспортирует фосфат. Арсенит также выводится
из клетки АТФ-зависпмоп системой. Закономерность общего ха-
рактера. видимо, заключается в том, что выброс из клетки ток-
сических катионов пли анионов осуществляется благодаря функ-
ционированию весьма специфических систем транспорта, так что
жизненно важные для клетки элементы не выносятся, тогда как
поступление в клетку этих токсических веществ происходит
при работе менее специфических транспортных систем, служа-
щих для потребления пищи.
Устойчивые к С(12+ штаммы S. aureus содержат в плазмиде
соответствующие гены. Cd2+ поступает в клетку по системе
транспорта Mg2+, с которым здесь конкурирует. Устойчивые
клетки обладают системой выноса Cd2,'1 путем антипорта с про-
тонами — Cd2+/2H:. Могут быть и другие механизмы устойчи-
вости к Cd2+. Так, штаммы Klebsiella aerogenes, имеющие кап-
сулы, устойчивее к кадмию, чем штаммы, лишенные капсул.
В результате человеческой деятельности (горные разработ-
ки. сжигание ископаемого топлива) ежегодно в биосферу попа-
дает около 4- 10* т ртути и примерно столько же в результате
естественных процессов. В круговороте ртути в биосфере значи-
тельную роль играют микроорганизмы — прежде всего в про-
цессах образования метил- и диметилртути и в восстановлении
ионов ртути до элементарной ртути. Последний процесс опреде-
ляет устойчивость к ртути у ряда относительно устойчивых
форм. Устойчивые к ртути бактерии обнаруживаются прежде
всего в условиях ртутного загрязнения, а также среди патоген-
ных бактерий, у которых часто устойчивость к лекарственным
препаратам коррелирует с устойчивостью к ртути и другим тя-
желым .металлам. Гены, определяющие устойчивость к ртути,
обычно локализованы в плазмидах или транспозонах. Устойчи-
вость к металлической ртути и (или) органическим соединени-
ям ртути обнаружена у представителей многих родов бактерий,
в том числе у кишечных бактерий, псевдомонад, стафилокок-
ков, бацилл. Способность к обезвреживанию органических сое-
динений ртути определяется синтезом соответствующих гидро-
лаз, специфичность которых может быть различной, что и оп-
ределяет спектр 'устойчивости соответствующих бактерий: он
'Может быть более широким или более узким. Во всех исследо-
Ванных случаях гены устойчивости определяют синтез специфи-
ческих редуктаз ртути. У разных грамотрицательных бактерий
8 Зикпз Хз 161	113
соответствующие ферменты иммунологически сходны, но отлиц.
ны от ферментов грамположительны.х бактерий. Синтез этщ
ферментов обычно индуцируется сублетальпыми концентрация,
ми ртути.
Устойчивость к ионам ртути определяется генами шег-оперо
на. Гипотетическая схема работы продуктов этих генов предло.
жена английским ученым Н. Брауном (рис. 14). Белки — про.
Рис. 14. Модель бактериальной защиты от ионов ртути
(по: Brown, 1985).
Точками обозначены пары цистеинов, звездочками — акт шшыс
центры (цистеины и ФАД), в которых происходит восстанов-
ление ртути. Объяснения и тексте.
дукты генов тег-оперона, содержат спаренные остатки цистеи-
нов, образующие с ионами ртути дисульфидные связи. Через
внешнюю мембрану грамотрицательных бактерий ионы ртути,
видимо, проходят беспрепятственно. Продукт гена тег Р рас-
положен в периплазме, он связывает ион ртути двумя остатка-
ми цистеина, при этом освобождается два протона. В дальней-
шем ион ртути оказывается все время связанным с дисульфида-
ми соответствующих mer-нродуктов и, таким образом, не мо-
жет реагировать с другими компонентами клетки, что могло бы
привести к их инактивации. Продукт гена тег Т встроен в ци-
топлазматическую мембрану и имеет по два спаренных цисте-
ина по обе стороны мембраны. Этот белок определяет транспорт
ртути через цитоплазматическую мембрану. Продукт гена тег А
114
редуктаза ртути, состоит из двух одинаковых субъединиц,
каждая из которых содержит одну молекулу ФАД. Фермент
связывает ртуть xN-тсрминальными цистеинами и передает сена
С-терминалы1ыс цистеины, где происходит ее восстановление
за счет НАДФН. Нетоксичная Hg выделяется в цитоплазму и
в результате диффузии выделяется из клетки и улетучивается.
Арсенат, в котором мышьяк пятивалентен, наименее токси-
чен. хотя конкурирует с фосфатами в процессах фосфорилиро-
вания. Арсенит, в котором мышьяк трехвалентен, более токси-
чен, чем арсенат, так как непосредственно реагирует с сульф-
гидрильными группами белков. Относительно устойчивые к
мышьяку штаммы Alcaligenes [aecalis образуют арсенитоксида-
зу, окисляющую трехвалептпый мышьяк до менее токсичного
пятивалентного.
Существенное значение для проявления резистентности к
мышьяку, видимо, имеет характер систем транспорта фосфата.
У резистентной культуры Pseudomonas putida в присутствии
соединений мышьяка транспорт фосфатов в клетку не был ин-
гибировав, а у арсенитчувствительного штамма обе формы
мышьяка подавляли поступление фосфора в клетку; арсенит
угнетал еще и транспорт глюкозы.
Адаптация микроорганизмов к высокому содержанию в сре-
де селена связана с образованием фермента селенредуктазы, с
помощью которого растворимые соединения селена переводятся
в нерастворимые и таким образом обезвреживаются. По наблю-
дениям С. В. Логуновой и В. В. Ковальского, у штамма В. те-
galeriiun, выделенного из подмосковной почвы, т. е. обитавше-
го в условиях низкого содержания селена, селенредуктаза по-
являлась только при выращивании бактерии на среде с добав-
лением селенита, т. е. она является адаптивным индуцпбель-
ным ферментом. Тувинский штамм того же вида, выделенный
из почвы, богатой селеном, обладал конститутивной селенре-
дуктазой, которая постоянно продуцируется организмом даже
при его выращивании в среде без селена. Как уже упомина-
лось, у некоторых бактерий обезвреживание металла происхо-
дит в результате его связывания со специфическим белком,
синтез которого индуцируется в присутствии металла. Это бо-
гатые сульфгидрильными группами белки металлотионеины,
низкомолекулярные у цианобактерий и высокомолекулярные у
кишечной палочки. Синтез этих белков регулируется на уровне
транскрипции и индуцируется нонами тяжелых металлов, на-
пример Cd2+, Zn2'1’. Добавление к среде солей тяжелых метал-
лов в определенных пределах концентраций приводит к за-
держке роста бактерий, который возобновляется после начала
синтеза металлотионеинов. Рост культуры становится возмож-
ным в результате связывания металла этими белками. У циа-
нобактерии Stpiechococcus sp. такой белок закодирован в плаз-
миде.
8*
115
Обезвреживание ионов тяжелых металлов может происхо-
дить и в результате их взаимодействия с сероводородом. Так,
у Klebsiella aerogenes описан механизм обезвреживания Cd24
при его взаимодействии с образуемым клеткой HgS. CdS акку.
мулируется па поверхности клетки, не проникая в цитоплазму.
Устойчивость к Cd2+ у этой бактерии теряется в отсутствие ме-
талла, т. е. имеет .место игидуцируемый физиологический про.
цесс.
Антибиотики (греч. anti — противо, bios — жизнь) — веще-
ства, образуемые микроорганизмами и способные в малых кон-
центрациях оказывать избирательное токсическое действие на
другие микроорганизмы или на клетки высших организмов.
Описано более 5 тыс. различных антибиотиков. По химической
природе антибиотики принадлежат к различным группам сое-
динений. Это углеводородсодержащие аминоглюкозиды (груп-
па ристомицина — ванкомицина и др.), макроциклические лак-
тоны (макролиды, полиены и др.), хиноны и близкие к ним ан-
тибиотики (тетрациклины, антрациклины и др.), пептиды, пев-
толиды (пенициллины, цефалоспорины, актиномицины) и др.
Молекулярные механизмы действия антибиотиков могут
быть самые разные. Ряд антибиотиков нарушает синтез кле-
точной стенки бактерий (пенициллины и др.), полимиксины
действуют па цитоплазматическую мембрану, повышая ее про-
ницаемость, а также на внешнюю мембрану грамотрицательных
бактерий. Известно свыше 100 антибиотиков — ингибиторов
белкового синтеза, избирательно воздействующих на различные
этапы этого процесса. Например, хлорамфеникол ингибирует
образование пептидной связи в результате блокирования актив-
ного центра пептидилтрансфсразы на 50 S-субчастицах рибосо-
мы. Антибиотики кирромицины действуют на бактериальный
фактор элонгации Tu (EF-Tu), нарушая синтез белка. Актино-
мицин D нарушает ДНК-зависимый синтез РНК, синтез ДНК
нарушают азассрин, псикофуранин и др., блеомицины вызывают
разрывы, а митомицины — сшивки комплементарных цепей в
молекуле ДНК.
Антибиотики являются вторичными метаболитами микроор-
ганизмов, т. е. их синтез не связан с основными процессами
роста, деления или энергетического метаболизма продуцента.
Значение антибиотиков для продуцирующих их микроорганиз-
мов остается неясным. Как уже было упомянуто в гл. 1, неко-
торые исследователи считают, что антибиотики дают преиму-
щество продуцентам в борьбе за существование, угнетая кон-
курентов. Согласно другой точке зрения антибиотики представ-
ляют собой соединения с регуляторными функциями или вообще
«отбросы» обмена веществ и не играют роли во взаимодейст-
виях микроорганизмов в естественной среде. Как бы то ни бы-
ло, в настоящее время в результате широкого использования в
медицине и сельском хозяйстве антибиотики стали мощным
ив
экологическим фактором, определяющим микроэволюционные
процессы в популяциях бактерий. Эра антибиотиков в медицине
наступила в начале 40-х годов после введения в практику пе-
нициллина. Уже вскоре были обнаружены устойчивые к пени-
циллину штаммы стафилококков, а затем и других видов па-
тогенных бактерий. При изучении коллекционных штаммов
Enterobacleriaceae, выделенных в годы, предшествовавшие эре
антибиотиков, было обнаружено, что некоторые, хотя и очень
немногочисленные штаммы обладают устойчивостью к антибио-
тикам ампициллину и тетрациклину. Широкое внедрение анти-
биотиков в практику привело к появлению и накоплению ус-
тойчивых к ним бактерий.
Механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам различ-
ны. Иногда наблюдается изменение рецепторных молекул, с
которыми связывается соответствующий антибиотик. Так, ре-
зистентность к пенициллинам, макролидам, хинолонам может
быть связана с изменением соответственно пенициллинсвязыва-
клцих белков, ДНК-гиразы, РНК-полпмеразы. Подобные меха-
низмы устойчивости обнаружены у Neisseria meningitidis, Hae-
mophilus influenzae, представителей семейства Enterobaeteria-
ссае, стафилококков, стрептококков, псевдомонад. Резистент-
ность, обусловленная снижением проникновения препаратов в
клетку, найдена в отношении пенициллинов, цефалоспоринов,
аминогликозидов и тетрациклинов у штаммов Entcrobacteria-
сеас и Pseudomonas aeruginosa. Некоторые штаммы разных ви-
дов бактерий продуцируют различные ферменты, инактивирую-
щие 'или разрушающие некоторые антибиотики, в том числе
хлорамфеникол, пенициллины и цефалоспорины. Образование
подобных ферментов детерминировано плазмидными или хро-
мосомными генами. Детерминированные хромосомными генами
индуцибельные цефалоспорипазы широко распространены у
штаммов видов Enterobacter и Citrobacter. В некоторых случа-
ях уровень устойчивости к антибиотику может быть увеличен
путем умножения — амплификации генов, определяющих эту
устойчивость. Наблюдали амплификацию как хромосомных, так
и плазмидных генов. Подобный механизм обнаружен, например,
У штаммов Bacillus и Staphylococcus, устойчивых к хлорамфени-
колу.
Особенное значение в настоящее время приобрели трансмис-
сивные плазмиды множественной лекарственной устойчиво-
сти— R-факторы (англ, resistance — устойчивость). R-факторы
определяют устойчивость клетки одновременно к нескольким—
До 9 и более — препаратам: антибиотикам, лекарственным ве-
ществам, солям тяжелых металлов. Известно много различных
R-факторов, генный состав которых может легко изменяться в
результате обмена генами между бактериями. Гены, определя-
ющие устойчивость, могут быть локализованы в маленьких
участках ДНК — транспозонах (Тп), которые способны перемс-
117
щаться в различные участки хромосомы и на такие векторные
ДНК, как плазмиды. Комбинация трансмиссивной плазмиды с
транспозоном особенно благоприятна для распространения мно-
жественной лекарственной устойчивости бактерий. Идентичные
гены резистентности, а иногда и идентичные плазмиды могут
быть найдены в различных бактериях и в различных географи-
ческих областях. Например, устойчивые к тетрациклину штам-
мы Haemophilus influenzae, выделенные па различных конти-
нентах, имеют одинаковую детерминанту резистентности, кото-
рая локализована на Тн 10. Сходные гены определяют устойчи-
вость к ампициллину у штаммов представителей Enterobacte-
riaceae, Н. influenzae, Neisseria gonorrhoeae.
Воздействие на клетки бактерий токсических веществ в не
слишком высоких концентрациях, не обязательно вызывающих
их гибель, можно рассматривать как один из вариантов стрес-
совых (англ, stress — напряжение) воздействий. В этих услови-
ях вступают в строй специальные системы клеточного метабо-
лизма, способствующие выживанию организма.
§ 12.	АДАПТИВНЫЕ РЕАКЦИИ БАКТЕРИЙ
РЕАКЦИЯ ПЛ СТРЕССОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Как следует из предшествующего изложения, существует
множество физических и химических факторов, которые могут
оказывать на бактериальную клетку неблагоприятное действие.
В процессе эволюции бактерии, так же как и любые другие
живые организмы, приспособились к существованию в услови-
ях, не вполне оптимальных, а иногда и таящих опасность для
жизни. Токсические вещества, неблагоприятная температура,
pH, облучение в пределах, определяемых видовой или штаммо-
вой чувствительностью организма, не препятствуют нормальному
существованию бактерии. Резкие изменения условий в неблаго-
приятную сторону приводят к отмиранию клеток. Однако при
некоторых воздействиях, которые обычно обозначают как суб-
летальные, клетки не погибают сразу, но оказываются травми-
рованными. Их дальнейшая судьба в значительной степени за-
висит от условий, в которые они будут помещены. Травмирова-
ние клеток происходит под влиянием повышенной или понижен-
ной температуры, под действием токсических веществ в не
слишком высоких концентрациях, в результате голодания, при
осмотическом шоке, облучениях. У травмированных клеток во
многих случаях нарушаются барьерные функции мембран, наб-
людается выход в среду некоторых метаболитов, нарушается
синтез белка, возникают нарушения в структуре ДНК- Некото-
рые условия, вполне благоприятные для развития нормальных
бактерий, могут быть гибельными для травмированных клеток.
Так, например, бактерии, подвергнутые сублетальному темпе-
118
натурному шоку, осмотическому шоку и ряду других воздейст-
вий, гибнут на средах с повышенной концентрацией солей, со-
вершенно не опасной для нормальных клеток, или на средах с
поверхностно-активными соединениями, также в концентрациях,
йе влияющих на рост нормальных клеток. Эти факторы иногда
определяют как селектирующие здоровые клетки от травмиро-
ванных. В качестве таких факторов могут выступать pH, темпе-
ратура, даже определенные пищевые субстраты.
Травмированные клетки, помещенные в благоприятные ус-
ловия, способны репарировать, т. с. исправлять повреждения
различных структур. Наибольшее внимание исследователей в
последнее время было привлечено к изучению механизмов вос-
становления повреждений ДНК. Что же касается репараций
повреждений других структур клетки, то их механизмы еще
практически совершенно не изучены. Известно, что для репара-
ции функций мембран требуется значительное время, и их вос-
становление связано с синтезом белка и РНК, а иногда необхо-
дим и синтез фосфолипидов. В различных случаях благоприят-
ные для репарации условия могут в корне различаться. Напри-
мер, иногда репарация идет лучше в богатых, а иногда в
бедных средах. Это справедливо и для репарации повреждений
ДНК.
Известен ряд систем репарации повреждений ДНК. Эти си-
стемы специфичны не в отношении тех или иных воздействий,
но в отношении определенных нарушений структуры ДНК, од-
нако, поскольку определенные воздействия преимущественно
вызывают характерные для них нарушения структуры, при воз-
действии на клетки разными излучениями, мутагенами и т. п.
ведущее значение приобретают те или иные системы репарации.
Фотореактивация наблюдается при освещении клеток види-
мым или ближним УФ-светом и состоит в разрезании пирими-
диновых димеров в ДНК. Последние возникают обычно при
воздействии на клетки среднего или дальнего УФ, поэтому осо-
бое значение фотореактивация имеет именно при воздействии
УФ. Процесс фотореактивации связан с действием фермента
фотолпазы, являющейся флавопротеином. Фотолиаза связыва-
ется с пиримидиновыми димерами, активация фермент-субст-
ратного комплекса светом длиной волны 300—600 нм приводит
к мономсризации димеров. Корреляции между общей радиоре-
зистентностью клетки и способностью к фотореактивации не
наблюдается.
Наряду с описанной прямой имеет место непрямая фоторе-
активация с пиком в области 340 нм. Этот эффект не связан с
расщеплением димеров. Снижение эффекта УФ-облучения в
этом случае объясняется задержкой роста бактерий, в резуль-
тате чего удлиняется период протекания репарационных про-
цессов. Непрямая фотореактивация, таким образом, не связана
с работой каких-либо специальных репарационных систем.
119
Эксцизионная репарация состоит в удалении поврежденного
участка ДНК в одной цепи и восстановлении нормальной по-
следовательности оснований по матрице оснований на компле-
ментарной цепи. Вырезание повреждении осуществляется либо
непосредственно эндонуклеазой, которая узнает нарушения, ли-
бо последовательным действием гликозидазы и апурин/апири-
мидиновой эндонуклеазы (АР-эндонуклеазы). У Е. coli эта
функция выполняется комплексом эндонуклеаз, кодируемых
генами uvr A, uvr В, uvr С. Они вырезают олигонуклеотиды из
12—13 оснований. На следующей стадии репарации работает
фермент хеликаза II (ген. uvr D), ДНК-полимераза (геи
pol А) и лигаза (геи lig). Е. coli обладает также рядом АР-эн-
донуклеаз.
Рекомбинационная репарация, т. е. репарация, включающая
рекомбинацию, у Е. coll представлена двумя типами. Во-первых,
это репарация, при которой заполняется пробел в последова-
тельности оснований во вновь синтезированной цени на месте
поврежденного участка. Этот процесс определяется по крайней
мере четырьмя генами. Во-вторых существует процесс связан-
ного с репликацией восстановления двунитевых разрывов в
ДНК, возникающих под действием УФ, ионизирующей радиа-
ции, митомицина, тоже определяемый активностью нескольких
генов.
В репарации повреждений ДНК у Е. coli принимает участие
также фермент метилтрансфераза, удаляющая метильные груп-
пы от О6-метилгуанина и О4-метилтимина и фосфодиэфирных
остатков в ДНК (ген ada, играющий роль также в адаптивном
ответе, описание которого приведено ниже).
Травмированные клетки однако не просто восстанавливают
в меру своих возможностей причиненные им повреждения. Под
влиянием сублетальных воздействий неблагоприятных факторов
происходят перестройки в процессах обмена веществ клетки,
имеющие очевидное адаптивное значение. Более того, оказы-
вается, что воздействие неблагоприятных условий нередко вы-
зывает ответную реакцию клетки, еще нс приводя к каким-либо
нарушениям ее структуры. Принято говорить, что клетки, под-
вергшиеся неблагоприятным воздействиям, находятся в состоя-
нии стресса. В различных случаях это состояние может быть
связано или не связано с нарушениями клеточных структур,
т. е. клетки могут быть или не быть травмированы. Воздейст-
вия, которые приводят клетки в состояние стресса, определяют
как стрессорныс. Понятие стресса было сформулировано приме-
нительно к организмам, имеющим нервную систему, поэтому
некоторые исследователи считают недопустимым применение
этого термина к бактериям. Однако в современной микробиоло-
гической литературе термины «стресс» и «стрессор» использу-
ются очень широко.
Процессы, протекающие в клетках, находящихся в состоя-
ло
лии стресса, изучены преимущественно на модели кишечных
бактерий, прежде всего Е. coli и Salmonella typElmurlum.
В зависимости от природы стрессора и характера причинен-
ных повреждений реакция клетки может быть различной. К на-
стоящему времени у кишечных бактерий выявлено пять регу-
ляторных систем ответа на стрессовые воздействия: 1) «строгий
контроль»; 2) SOS-ответ; 3) адаптивный ответ; 4) синтез белков
теплового шока; 5) ответ на окислительный стресс. Во всех
перечисленных случаях происходят глубокие перестройки мета-
болизма, связанные с замедлением или прекращением размно-
жения и синтезом белков, необходимых для выживания. По
крайней мерс в некоторых случаях в процессах регуляции при-
нимают участие специальные соединения, клеточные гормоны,
получившие название алармонов (фр. alarme — тревога). Пе-
речисленные системы находятся под контролем соответствую-
щих генов и взаимосвязаны.
•Система строгого контроля включается главным образом в
ответ на исключение из среды необходимых клетке аминокис-
лот, источника углерода, солевой шок, инактивацию аминоацил
тРНК-синтетаз, падение температуры (по крайней мере у неко-
торых термофильных бактерий). В данном случае клетки необя-
зательно должны быть травмированы.
Система строгого контроля регулируется продуктом гена
rel А синтетазой алармонов: гуанозин-5-дифосфат-З-дпфосфата
(ppGpp) и гуанозин-5’-трифосфат-3’-дифосфата (pppGpp); ppGpp
более активен, pppGpp, видимо, является его предшественником
в процессе синтеза. У разных бактерий свойства этого фермента
могут несколько различаться. Синтетаза I, характерная для ки-
шечных бактерий и некоторых термофильных бактерий, актив-
на только в комплексе с рибосомами, иРНК и специфически
связанной с соответствующим кодоном тРНК. У бацилл обна-
ружена синтетаза II, для активности которой образование по-
добного комплекса не требуется.
Положительный контроль предполагает включение системы
при накоплении продукта регуляторного гена. Повышение со-
держания алармонов в результате активности синтетазы приво-
дит к ингибированию синтеза иРНК, тРНК и 'Некоторых рРНК,
в результате снижается синтез фосфатидилэтаноламина, а соот-
ветственно и мембранных липидов, снижается синтез нуклеоти-
дов, полиашюнов, некоторых ферментов катаболизма. Снижение
Уровня метаболизма способствует выживанию клетки в услови-
ях, не допускающих сбалансированный обмен.
Система SOS-ответа включается при разнообразных наруше-
ниях в структуре ДНК или в системах ее репликации. Для раз-
вития SOS-ответа существенное значение имеет образование од-
Ионитевой ДНК. Эта система работает, например, после УФ-об-
лучения, воздействия различными химическими мутагенами. В
состав SOS-системы входит ген ]ех А, продуктом которого яв-
121
ляется белок Lex А — репрессор ряда генов, и ген гес А, коди-
рующий полнфункциональный белок Rec А. Белок Rec А, акти-
вированный сигналом-индуктором SOS-систсмы, приобретает
свойства протеазы и инактивирует репрессорный белок Lex Д
(рис. 15). Природа сигнала, действующего па белок Rec А, по-
ка не установлена. В результате разрушения белка Lex А сни-
мается репрессия по крайней мере с 17 генов.
Белок Rec А не только обладает активностью протеазы, но
и катализирует ряд процессов, в том числе перенос нитей от
одной молекулы ДПК к другой, т. е. участвует в рекомбинации.
Возможно, он участвует и в процессах репарации ДНК. В про-
теазной и других активностях белка Rec А кофактором высту-
8 п5'>'чн-л< условиях
Сладпя
ij	iwnngccw
. tt LL
rec А Сет А see*4-."
SOS - Omgem
Рис. 15. Схема paOoibi регуляторного SOS-
ответа.
Объяснения в тексте.
индукция
tttt
517 генов
пают полинуклсотидные
последовательности, т. е,
однонптчатая ДПК, свя-
зываясь с пей, белок Rec А
участвует в рснатурации
ДНК.
Ген lex А авторсгули-
русм, т. с. репрессируется
собственным продуктом,
это обеспечивает постоян-
ство концентрации белка
Lex А в процессе размно-
жения бактерий. 80%
Lex А-белка разрушается
за три минуты после мяг-
кого УФ-облучения.
Гены, репрессируемые
Lex А, имеют участки со
сходными последовательностями оснований, хотя прочность
связи с ними репрессора различна. К этим генам, в частности,
относятся tivrA. nvr В, определяющие эксцизионную репарацию
ДНК. У E.coli имеются конститутивные и индуцибельные си-
стемы репарации повреждений ДНК, в данном случае включа-
ется индуцпбельная система. При SOS-ответе функционирует
также постреплпкативная система репарации, при которой по-
вышена частота мутаций, ген umuC, также репрессируемый
Lex А, определяет индуцированный мутагенез. Можно предпо-
лагать, что стимуляция мутагенеза в процессе SOS-ответа
имеет приспособительное значение — могут появиться мутанты,
более приспособленные к условиям, индуцировавшим SOS-
ответ.
При разрушении белка Lex А снимается репрессия с гена
him А, определяющего сайт-спсцифическую рекомбинацию, с
гена sfi А, продуктом которого является белок — ингибитор де-
ления. Это и определяет прекращение деления клеток в процес-
се SOS-ответа. Дерепрессируется ген sul А, кодирующий белок,
122
связывающийся с определенными участками внешней мембра-
ну, т. е. при SOS-ответе изменяется состав белков внешней
до е м и р з и ы.
При SOS-ответе могут образоваться нитевидные клетки в
результате подавления процесса деления продуктом гена sfi А,
зато не образуются клетки, лишенные ДНК. В условиях нару-
шенной структуры ДНК при продолжении деления такие клетки
могли бы образовываться. Они и образуются у мутантов по
гену' гее А, у которых SOS-система не срабатывает.
При SOS-ответе снимается репрессия с генов профага.
Д1ожно думать, что это «выгодно» вирусу, так как дальнейшая
судьба клетки хозяина с нарушениями в ДНК неизвестна.
Белок Rec А имеет два активных центра, один из которых
определяет его конститутивные свойства, другой — индуцибель-
ные. Конститутивные свойства продукта гена гес А обусловли-
вают регуляцию процесса рекомбинации. У мутантов, дефект-
ных по гену гес А, рекомбинация подавлена. Индуцибельный
центр, определяющий протеазные свойства этого белка, может
быть активирован низкомолекулярным эффектором, например
аденином. При остановке синтеза ДНК накопление эффектора
приводит к реализации его протеазной активности. Продукт ге-
на lex А является репрессором гена гес А. Инактивация белка
Lex /\ продуктом гена гос А при остановке синтеза ДНК. приво-
дит к интенсивному синтезу белка Rec А.
В процессе SOS-ответа можно выделить три фазы. Пер-
вая— характеризуется подавлением синтеза ДНК и ее частич-
ной деградацией в ответ па образование белка Rec А. Во вто-
рую фазу синтез ДНК протекает с нормальной скоростью, но
вновь синтезируемая ДНК содержит пробелы, которые восста-
навливаются в процессе ностреплнкативной или рекомбинаци-
онной репарации. Кроме того, в это же время погибают клетки,
нарушения в ДНК которых слишком значительны. Их гибель
связана с действием продукта гена гес А и является проявлени-
ем одной из функций SOS-системы. У мутантов с неработающей
SOS-системой клетки с подобными нарушениями в ДНК могут
еще некоторое время существовать и даже приступать к деле-
нию, однако в процессе размножения они неизбежно обречены
на гибель. Очевидно, что запрограммированное уничтожение не-
потноцепиых клеток выгодно для существования популяции хо-
тя бы потому, что такие клетки сразу исключаются из числа
потребителей пищи. Этот пример служит свидетельством суще-
ствования у прокариот совершенных и тонких регуляторных ме-
ханизмов, обеспечивающих виду успех в борьбе за существова-
ние.
При переходе к третьей фазе SOS-ответа в клетках начина-
ется нормальный синтез ДНК, завершаются процессы репара-
ции ДНК. Клетки переходят к нормальному росту.
У Е. coli через 30 мин после сублеталыюго УФ-облучения
123
синтез иРНК Rec А начинает снижаться; примерно через 60 мин
клетка возвращается к исходному состоянию.
Наличие SOS-системы обнаружено у различных представи-
телей семейства Enterobacterjaceae, у Streptococcus faecalis,
Bacillus subtilis. У последней при SOS-ответе, кроме всего про-
чего, развивается компетентное состояние клеток, т. е. они при-
обретают способность воспринимать экзогенную ДНК в процес-
се генетической трансформации.
Система адаптивного ответа клетки — индуцибсльная анти-
мутагенная система репарации. Облучение и мутагены в низких
дозах вызывают снижение частоты мутаций при последующих
воздействиях. Облучение в дозе 12,5 — 50 рад в состоянии проя-
вить защитный эффект в отношении последующего массирован-
ного облучения в дозах порядка 2-К)3 рад. Частота мутаций у
Е. coli возрастает эффективно лишь в первый момент инкуба-
ции в присутствии мутагена нитрозогуанидина. По мере инку-
бации в присутствии мутагена частота мутаций падает, при-
чем после индукции этой антимутагенной функции клетки ста-
новятся устойчивыми к нитрозогуанидину в концентрации в
100 раз выше первоначальной. При удалении нитрозогуанидина
из культуральной среды через четыре часа индуцибельиая ан-
тимутагеииая функция полностью исчезает. Количество первич-
ных нарушений ДПК при действии системы адаптивного отве-
та нс изменяется, эффект зависит от индуцибельного репара-
ционного процесса. Индукция системы происходит при концент-
рациях мутагенов в 10—100 раз меньших, чем необходимые
для проявления их мутагенного действия. Система адаптивного
ответа непосредственно не связана с SOS-системой; эти системы
индуцируются различными воздействиями. Так, УФ-облучеиие
вызывает SOS-ответ, по не адаптивный ответ.
Таким образом, у Е. соЕ имеется индуцибсльная система,
увеличивающая частоту мутаций (SOS-ответ), и антимутаген-
иая система. Индуктором и субстратом первой пндуцибельной
системы служат достаточно грубые повреждения, блокирующие
синтез ДПК при работе конститутивных полимераз. Антимута-
генная репарационная система индуцируется другими типами
повреждений, которые, вероятно, не связаны с блоком реплика-
ции ДНК, но приводят к возникновению мутаций в момент
репликации.
Синтез белков теплового шока (БТШ) вызывается субле-
тальным температурным шоком. При этом наблюдается быстрое
изменение скорости синтеза большинства из 1000 белков, выяв-
ляемых в клетках Е. coli при помощи двухмерного электрофоре-
за. Синтез некоторых белков прекращается, тогда как синтез
БТШ усиливается более чем в 20 раз. Правда, синтез, по край-
ней мере некоторых из этих белков, может стимулироваться и
в других случаях, не обязательно только тепловым шоком, по-
этому название БТШ является не вполне удачным.
124
Синтез ряда БТШ у Е. coli находится под контролем регу-
ляторного гена htp R (hin)*. Продукт этого гена активирует
ряд генов htp, которые расположены в разных частях хромосо-
мы и составляют БТШ-регулон (группа генов, регулируемых
продуктом htp R-гена). Установлено, что продуктом гена htp R
является сигма-фактор а-32 РНК-полимеразы. Этот фактор
стимулирует инициацию транскрипции па промоторах соответ-
ствующих оперонов белков ТШ. У Е. coli выявлено 14 основных
белков теплового шока. Функции этих белков неизвестны, но
ген htp R необходим бактериям для роста при повышенной тем-
пературе, например для роста Е. coli при 42 °C, но этот ген не
нужен для роста при умеренной температуре.
Независимо от продукта гена htp R тепловой шок приводит
к угнетению синтеза белка в результате снижения уровня транс-
крипции рибосомальных белков, кодируемых S 10-онероном.
Синтез БТШ может быть вызван воздействием этанола, УФ-
обл\чением, вирусной инфекцией. Значение БТШ для клетки
пока непонятно, ио, видимо, очень велико. Во всяком случае,
способность к синтезу БТШ обнаружена у разнообразных про-
и эукариот, причем продукт гена dna К Е. coli гомологичен
белку Hsp 70 Drosophila melanogaster.
Ответ на окислительный стресс исследован у Е. coli и Sal-
monella typhimurium. Клетки экспоненциально растущей куль-
туры S. typhitnuriuin, обработанные в течение 1 ч 60 мМ пере-
кисью водорода, приобретают устойчивость к 10 мМ перекиси;
для необработанных клеток такая концентрация перекиси де-
тальна.
Как и ответы па другие стрессорные воздействия, система
ответа на окислительный стресс находится под контролем спе-
циального гена, в данном случае oxy R. Продукт гена oxy R
взаимодействует с алармоиом, в роли которого выступает аде-
нилированный нуклеотид АррррА. Комплекс продукта гена оху
R с АррррА активирует транспирацию по крайней мере 30 бел-
ков. Эти белки относятся к двум классам: 12 ранних белков
синтезируются с максимальной скоростью в течение первых
10 мин после добавления перекиси, максимальный синтез 18
поздних белков начинается через 10 — 30 мин после начала
воздействия. Среди синтезируемых белков имеется ряд фермен-
тов, необходимых для защиты от окислителей и уже упоминав-
шихся нами ранее. Это белки с каталазной и пероксидазной ак-
тивностью, супероксиддисмутаза (Мп-зависимая), глутатион-
редуктаза, НАД (Ф) Н-зависимая алкил-гидропероксидредукта-
за, глюкозо-6-фосфатдегидрогсназа. Стимулируется также син-
тез трех белков теплового шока. Клетки, приобретшие
устойчивость к перекиси, становятся устойчивыми и к теплово-
* htp — high temperature protein, hin—heat induction.
125
му шоку, однако тепловой шок не стимулирует устойчивости к
перекисям.
Среди белков, синтез которых стимулируется в условиях
окислительного стресса, видимо, имеются и ферменты, участву-
ющие в процессах репарации ДПК, поскольку окислители вы-
зывают ее специфические повреждения.
ХЕМОТАКСИС
Микроорганизмы развиваются в средах, изменяющихся во
времени и в пространстве. В лабораторных культурах измене-
ния главным образом временные, а природные среды характе-
ризуются и значительной пространственной гетерогенностью.
Бактериальная клетка способна воспринимать изменения мно-
гих факторов среды и определенным образом реагировать на
эти изменения. Различные регуляторные механизмы, работа
которых направлена на приведение в соответствие обмена ве-
ществ клетки с конкретными условиями среды, уже были рас-
смотрены.
У подвижных бактерий функционируют сложные сенсорные
системы, определяющие характер и направление их движения.
Двигательные реакции в ответ на односторонне действующий
стимул называют таксисом (греч. taxis — расположение). Уже
были упомянуты фото- и магнитотаксисы. Существуют бакте-
рии, способные к вискозитаксису — движению в сторону увели-
чения или уменьшения вязкости среды, и, видимо, все подвиж-
ные бактерии обнаруживают хемотаксис — способность к на-
правленному движению в сторону увеличения или уменьшения
концентрации определенных веществ. Изучению хемотаксиса
бактерий в течение нескольких последних десятилетий были по-
священы многочисленные исследования. Здесь уместно лишь
напомнить основные сведения об этом явлении.
Тс или иные вещества могут вызывать или не вызывать так-
сис у данной бактерии. В первом случае говорят об эффекторах,
среди которых различают аттрактанты и репелленты. Аттрак-
танты— это вещества, привлекающие бактерий, репелленты —
отпугивающие их. Хотя бактерия перемещается в пространстве,
сравнение концентрации эффекторов происходит во времени.
Бактерии реагируют на градиент их концентрации.
В отсутствие градиента концентрации эффекторов клетка
плывет более или менее прямо в течение 1 — 2 с, затем в тече-
ние долей секунды кувыркается или дрожит и затем снова плы-
вет по прямой уже в другом, случайном направлении. Таким
образом, в движении клеток наблюдаются периоды плавания и
кувыркания. В результате последнего происходит переориен-
тация клеток и в итоге возникает картина активной, но неупо-
рядоченной миграции клеток.
Прямолинейное движение бактерий обеспечивается враще-
нием их жгутиков против часовой стрелки. У Е. coli и других
126
перитрихов, обладающих небольшим числом жгутиков, во вре-
мя вращения против часовой стрелки жгутики сплетаются в
один спиральный пучок. Изменение направления вращения
жгутикового мотора приводит к тому, что жгутики расходятся
в стороны и клетка совершает кувырок. При движении к источ-
нику аттрактанта (или от источника репеллента) бактерия реа-
гирует на соответствующее изменение концентрации эффектора
уменьшением частоты кувыркания и увеличением продолжи-
тельности прямолинейного пробега в благоприятном направле-
нии. Если же вслед за кувырком клетка, изменив направление,
случайно поплывет в неблагоприятную сторону, частота кувыр-
каний возрастет. Таким образом, при миграции в градиенте
концентрации вещества-эффектора увеличивается длина пробе-
га клетки в благоприятном направлении, тогда как длина про-
бега в неблагоприятном направлении уменьшается. В резуль-
тате клетка постепенно приближается к источнику аттрактанта
или удаляется от источника репеллента. Подобную двигатель-
ную реакцию определяют как клинокинез (греч. klino — накло-
няю, kinetikos — относящийся к движению).
Способность клетки реагировать на изменение концентрации
эффекторов определяется наличием у бактерий специфических
хеморецепторов. У Е. coli найдено более 30 различных рецепто-
ров, специфичных к сахарам, аминокислотам, спиртам и дру-
гим соединениям, и до 10 тыс. копий каждого из рецепторов.
Рецепторы представляют собой белки, они синтезируются иног-
да только в присутствии индуктора, или их синтез конститути-
вен. Специфичность рецептора определяется его способностью
образовывать комплексы только с определенными, обычно хи-
мически родственными веществами. Некоторые субстраты, на-
пример глюкоза, могут реагировать с несколькими рецепторами.
Для рецепции не обязательны ни транспорт, ни метаболизм
субстрата. Транспорт и таксис могут быть разобщены. Иногда
эффекторы даже не транспортируются внутрь клетки. С другой
стороны, многие вещества, являющиеся необходимыми пищевы-
ми субстратами, нс являются аттрактантами.
Некоторые рецепторы, например рецепторы галактозы, маль-
тозы и рибозы у кишечной палочки, являются периплазматиче-
скнми белками и одновременно как белки-переносчики участву-
ют в транспорте этих сахаров. Рецепторами для других саха-
ров, например глюкозы у Е. coli, могут быть соответствующие
ферменты П-В-фосфотрансфсразной системы транспорта, яв-
ляющиеся интегральными мембранными белками. Аминокислот-
ные рецепторы — также интегральные белки цитоплазматиче-
ской мембраны, но они не участвуют в транспорте соответству-
ющих аминокислот. Кислород при аэротаксисе акцептируется
Цитохромом о. Существуют мембранные белки — рецепторы для
Н+- и ОН--ионов. Некоторые мембранные белки имеют не-
сколько функционально различных рецепторных участков. Из-
127
вестпы и рецепторы, регистрирующие изменения мембранного
потенциала — протометры.
Под воздействием специфического эффектора изменяется кон-
формация макромолекулы рецептора, и последний переходит в
возбужденное состояние. Если эффектором является химическое
вещество, то образуется комплекс аттрактант — рецептор (или
репеллент — рецептор). Связавшись с субстратом, рецептор об-
разует комплекс с метилакцепторным белком (МАБ) цитоплаз-
матической мембраны. У Е. coli обнаружено три метилакцеп-
торных белка, рецептирующие различные аминокислоты и при-
нимающие сигналы от трех различных групп хеморецепторов,
Сигнал, попадая на -МАБ, влияет на уровень метилирования
этого белка. У Е. coli появление в среде аттрактанта повышает
уровень метилированности МАБ, а появление репеллента - сни-
жает этот уровень. Метилирование осуществляется ферментом
метилтрансферазой, переносящей метильную группу с S-адено-
зилметионина на белок и метилирующей один из его глута-
мильных радикалов. МАБ может деметилироваться метилэсте-
разой. Период времени, в течение которого изменяется уровень
метилированности, называется временем адаптации бактерий к
изменившейся концентрации вещества. Когда уровень метили-
рованное™ белка достигает плато, т. е. больше не изменяется,
бактерия возвращается к своему обычному ненаправленному
движению, т. е. клетка адаптировалась к изменившейся обста-
новке. Взаимодействие процессов метилирования и деметилиро-
вания, видимо, определяет частоту кувырканий клетки, хотя
конкретные механизмы переноса сигнала с МАБ на мотор жгу-
тика остаются неизвестными. В некоторых таксисах МАБ не
принимают участия, это аэротаксис и таксис, связанный с бел-
ками фосфотрансферазной системы и протометром.
В условиях сложной среды с разнонаправленными градиен-
тами различных эффекторов бактерии способны суммировать
сигналы, реагируя соответственно полученному результату.
Во многих случаях целесообразность хемотактических реак-
ций бактерий несомненна. Так, для клеток Vibrio alginolyticus,
обитающего на морских водорослях, аттрактантами являются
гликолевая кислота, акриловая кислота и днметилсульфид—
обычные компоненты выделений водорослей. Фитопатогенную
бактерию Erwinia amylovora, возбудителя мягкой гнили, прив-
лекают выделения клеток растений, которые она обычно инфи-
цирует. Клетки Xanthomonas oryzae реагируют на воду, взятую
с плантации культуры риса, чувствительного к этому патогену,
хотя специфический хемоаттрактант пока не установлен. Клет-
ки Rhizobltim sp. привлекаются многими веществами, выделяе-
мыми корешками бобовых: сахарами, аминокислотами, специ-
фическими гликопротеинами. Подвижные клетки способны за
день мигрировать в почве на расстояние до 2 см. Хемотаксис
облегчает ризобиям заражение бобовых растений.
128
Клетки патогенного для рыб штамма Aerotnonas привлекают
слизистые выделения рыб, а патогены животных Vibrio chole-
гае, Е. cob', Salmonella typhimurium— слизистые выделения ки-
шечного эпителия животных, что увеличивает вероятность их
успешного прикрепления к его поверхности. Маловпрулеитные
штаммы V. c/iolerac и Pseudomonas aeruginosa часто дефектны
в отношении хемотаксиса.
Перечисленные выше примеры свидетельствуют о несомнен-
ном адаптивном значении аттракции бактерий. Вместе с тем
целесообразность реакций хемотаксиса не столь очевидна. Ат-
трактанты не всегда служат пищей, а репелленты не всегда
вредны. Например, для Ё. coll ацетат является репеллентом, но
может быть использован в качестве пищи. Наборы аминокис-
лот, используемые или даже необходимые для роста и являю-
щиеся аттрактантами, для разных
бактерий обычно совершенно раз-
личны. Поэтому эффекторы, види-
мо, важны не сами по себе: их кон-
центрационные градиенты свиде-
тельствуют об определенных изме-
нениях экологической обстановки.
Так. например, увеличение концен-
трации тех или иных аминокислот
Рис. 16. Зависимость числи колоний на
фильтрах от концентрации субстратов в
баночках-ловушках, помещенных в воду
олиготрофного озера в Карелии.
/ — гп\ролп'1ят казеина (концентрация d прожек-
тах уислепно соответствует молярным концом;ра*
Цили других веществ). 2—глюкоза. 3 — x.wdii*
ст*, й аммоний, / — ацетат натрия. 5—глико.к.т
натрия.
может свидетельствовать о' приближении источника разлагаю-
щегося белка, а увеличение коицеш рации ацетата, скорее всего,
о развитии уже сформировавшихся бродящих бактериальных
сообществ, т. е. о том, что место уже занято.
В том, что хемотаксис, свойствен бактериям, развивающимся
в естественной среде, убедиться несложно. Если взять стериль-
ные баночки, накрытые мембранными фильтрами с мелкими,
не пропускающими клетки бактерий порами, и поместить в них
стерильную воду исследуемого водоема с добавленными в нее
различными веществами, то такие сосуды, помещенные в во-
доем, могут служить своеобразными ловушками для бактерий.
Над поверхностью фильтров в воде создается градиент концент-
рации того вещества, которое добавлено в вод}' в данной ба-
ночке. Если бактерии привлекаются соответствующим вещест-
вом, их осядет на фильтр больше, чем на фильтр контрольной
лое. шки без добавления веществ. Через определенное время
9 Заказ X’j 164
129
фильтры с ловушек снимают и помещают на питательный агар
и затем учитывают число выросших на фильтрах колоний,кото-
рое пропорционально числу осевших на фильтр бактериальных
клеток. Так, при помещении ловушек в воду олиготрофного озе-
ра в Карелии на фильтрах баночек с гидролизатом казеина и
глюкозой оседает больше бактерий, чем на контрольных
(рис. 16); сульфат аммония и ацетат выступают как аттрактан-
ты только при не слишком высоких концентрациях, а гликолат
оказывается репеллентом.
АДГЕЗИЯ
Бактериальные клетки могут прилипать к поверхности твер-
дого субстрата, т. е. обладают способностью к адгезии (лат. ad-
haesio — прилипание). Иногда говорят об адсорбции бактерий,
но в этом случае обычно подразумевают чисто физико-химиче-
ский процесс, тогда как понятие адгезии включает в себя и ак-
тивные биологические механизмы прилипания.
Адгезия имеет важное значение в жизни бактерий, некото-
рые формы в естественной для них среде могут существовать
только в прикрепленном состоянии. Способность к адгезии
иногда может иметь решающее значение для успеха в борьбе
за существование.
В первые моменты взаимодействия клетки с поверхностью
субстрата играют ведущую роль небиологические процессы.
Бактерии могут удерживаться на поверхности силами Ван-дер-
Ваальса, водородными,, гидрофобными, катионно-мостиковыми,
амидными, эфирными и другими связями.'
Неспецифическая адгезия осуществляется главным образом
благодаря взаимодействию разноименно заряженных поверхно-
стей. В результате этого взаимодействия клетки могут прикреп-
ляться почти к любой поверхности. Бактериальные клетки
обычно заряжены отрицательно и хорошо адсорбируются на
положительно заряженных частицах. Однако в большинстве
случаев происходит взаимодействие бактерий с одноименно от-
рицательно заряженными поверхностями почвенных частиц,
стекла и т. п. В этих случаях прикрепление бактерий к поверх-
ности зависит от соотношения между энергией притяжения сил
Ван-дер-Ваальса и энергией отталкивания отрицательно заря-
женных поверхностей. В некоторых случаях клетки прикрепля-
ются к отрицательно заряженной поверхности отдельными
участками, несущими амино- и другие положительно заряжен-
ные группы. Силы отталкивания между поверхностями клеток
и адсорбента могут быть снижены в присутствии катионов,
особенно поливалентных.
Поверхность большинства бактерий гидрофильна, и они
имеют тенденцию оставаться в водной фазе, однако поверхность
некоторых бактерий, наоборот, чрезвычайно гидрофобна, на-
530
пример у микобактерий. Микобактерии имеют тенденцию скап-
ливаться на границе раздела воздух — вода, а в масляно-вод-
ной системе быстро переходят в масляную "фазу, например в
нефтяную пленку на поверхности океана. Некоторые бактерии
прикрепляются к поверхности субстрата одним полюсом — бо-
лее гидрофобным.
Некоторые почвенные бактерии способны к адгезии на лю-
бых поверхностях. Micrococcus luteus прикрепляется к гидро-
фильным и гидрофобным, к положительно и отрицательно за-
ряженным поверхностям. Это можно объяснить наличием на
поверхности клеток различных
структур, которые могут «выдви-
гаться» или «убираться» в зависи-
мости от типа поверхности, к кото-
рой клетки приближаются (рис. 17).
Процессы адгезии обусловлены
составными компонентами поверх-
ности бактериальной клетки.
У гра.мотрицательных бактерий это
О-специфические полисахаридные
цепи липополисахарида внешней
мембраны, у грамположительпых —
компоненты муреина, тейхоевых и
тейхуроповых кислот клеточной
стенки. На поверхности многих бак-
терий расположены молекулы бел-
ков, гликопротеинов, гомо- и гстс-
рополисахаридов. Эти соединения
могут быть представлены неболь-
шим числом молекул, но могут об-
разовывать и относительно тол-
стые оформленные капсулы: иногда
клетки находятся в диффузной слизистой клейкой массе. Со-
единения, определяющие способность клеток бактерий к ад-
гезии, называют адгезинами. Адгезивами часто оказываются
кислые полисахариды или гликопротеины.
Некоторые бактерии обладают специальными приспособле-
ниями для прикрепления к поверхностям. Это прежде всего
белковые пили у многих грамотрицательных и некоторых грам-
положительпых бактерий, иногда стебельки.
В течение нескольких минут после прикрепления бактерии
легко могут покинуть поверхность. В этот период обратимой
адсорбции связь бактерий с поверхностью определяется преи-
мущественно электростатическими и гидрофобными взаимодей-
ствиями. Затем прочность связи клетки с поверхностью, как
правило, возрастает, но для этого требуется несколько часов
или даже суток. Прочная связь бактерий с поверхностью обыч-
но обеспечивается бактериальными полисахаридами или, иногда,
Рис. 17. Взаимодействие кле-
ток бактерий (/) с гидрофиль-
ной (2) и гидрофобной (3) по-
верхностями (по: Звягинцев,
9*
131
полипептидами, которые присутствуют па поверхности адсорби-
рующихся клеток пли синтезируются клетками, уже прикрепив-
шимися к субстрату. Прочность связи полимера с поверхностью
субстрата повышается*со временем благодаря увеличению чи-
сла точек контакта. Прикрепившиеся к поверхности клечки бак-
терий часто невозможно отделить от нее, не разрушив их.
Бактерии, использующие в качестве нищи определенный
твердый субстрат, обычно только к нему и прикрепляются: цел-
люлозоразлагающие— к волокнам целлюлозы, амилолитичес-
кие— к зернам крахмала и т. и. Считают, что такое прикрепле-
ние осуществляется молекулами соответствующих ферментов,
связанных, с одной стороны, с клеточной поверхностью, а с
другой — с молекулой субстрата. Фермент-субстратпы"! комп-
лекс непрочен, но благодаря' наличию большого числа молекул
фермента в любой момент времени часть связей сохраняется
и клетка остается прикрепленной к субстрату.
При развитии тионовых бактерий за счет нерастворимой в
воде элементарной серы или частичек сульфидных руд большое
значение имеет прямой контакт их клеток с субстратом. Так,
клетки Thiobacillus thiooxidans, адсорбированные па частичках
серы, окисляют молекулы серы и со временем оказываются
расположенными в выемках на поверхности частиц.
Адгезия оказывает существенное влияние на процесс транс-
формации клетками Mycobacterium globijormc стероидных сое-
динений. Трансформация нерастворимого гидрокортизопанетата
идет значительно быстрее при наличии непосредственного кон-
такта между клетками и кристаллами стероида. Клетки адсор-
бируются на кристаллах, прикрепляясь к ним полюсом или бо-
ковой стороной. В местах прикрепления клегок идет быстрое
растворение кристалла. Уже через 20 —40 мин он становится
сильно изъеденным и через некоторое время переламывается в
том месте, где были расположены клеши бактерий. Если отде-
лить кристаллы от клеток полупроницаемой мембраной, этот
процесс замедляется в 4— 6 раз. Трансформация хорошо раст-
воримого стероида гидрокортизона не зависит от наличия по-
лупроницаемой мем бра и ы.
Данные, подтверждающие значение адгезии в использовании
бактериями твердых субстратов, были получены и при изучении
разрушения почвенными микроорганизмами полихлорвиниловых
пленок. На пленках, помещенных в почву, адсорбировались
клетки только определенных бактерий, и именно под микроко-
лопиями этих бактерий происходило наиболее сильное разруше-
ние пленки.
Прикрепление бактерий к поверхности зуба представляет
собой первый этап образования зубной бляшки — скопления
бактериальных клеток и адсорбированного органического веще-
ства. Бактерии зубных бляшек образуют органические кислоты,
растворяющие гидроксиапатит, в результате чего и развивает-
132
ся кариес. Прикрепление бактерии к поверхности зуба может
быть обусловлено взаимодействием фосфатных групп лииотей-
хоевых кислот, находящихся па поверхности клеток бактерий,
с кальцием гидроксиапатита. Основной возбудитель кариеса
Streptococcus mutans синтезирует из сахарозы с помощью глю-
козплтрансферазы полимер декстран, который прилипает к по-
верхности зуба, видимо, связываясь с макромолекулами, адсор-
бированными из слюны. Бактерии оказываются прикрепленны-
ми к декстрановому слою глюкозилтрансферазой. Приклеива-
ние стрептококка к зубу — активный процесс, он осуществляет-
ся только в момент синтеза декстрана, при этом экзогенный
декстран использован быть не может.
Способность к адгезии имеет большое приспособительное
значение для бактерий в условиях естественных сред, очень
бедных органическим веществом. Так, в морской или речной
воде, налитой в стеклянную посуду, количество бактерий резко
увеличивается, причем число выросших бактерий приблизитель
но пропорционально величине отношения поверхности к объе-
му. Бактерий становится еще больше, если в склянки поместить
стеклянные бусы, кусочки стекла, кварцевый весок. Большин-
ство клеток развивается на поверхностях погруженных в воду
предметов. Описанное явление наблюдается только в очень
разбавленных растворах, содержащих пе более 10 мг/л орга-
нического вещества. Например, если поместить стеклянные бусы
в раствор, содержащий 0,5 мг/л глюкозы и 2,5 мг/л пептона,
то становится возможным развитие в нем Е. coli, хотя без ад-
сорбентов бактерии в таком разбавленном растворе пе разви-
вались. В бедных средах Е. coll растет н при добавлении
таль'-а.
Адгезия оказывает благоприятное влияние на жизнедеятель-
ность бактерий в бедной среде прежде всего потому, что по-
верхность раздела фаз обладает свободной энергией. Эта сво-
бодная энергия влияет на распределение ионов, макромолекул
и коллоидов, оказавшихся вблизи поверхности, в результате
чего па поверхности скапливаются питательные вещества, в
том числе органические. Так, на поверхности стекла, погружен-
ного в воду, можно обнаружить от 2 до 27% всего органическо-
го вещества, содержащегося в воде. Твердая поверхносп так-
же препятствует рассеиванию экзоферментов и продуктов гид-
ролиза органического вещества, которые концентрируются па
поверхности вблизи прикрепленных клеток и оказываются бо-
лее доступными для них. чем для свободных клеток.
Развивающиеся на твердой поверхности бактерии находятся
в своеобразных условиях, в ином физическом и химическом ок-
ружении, чем плавающие клетки. На поверхности субстрата
несколько иное значение pH, иная водная активность, чем в
окружающей среде. Нс следует думать, что адсорбированные
клетки бактерий всегда получают преимущество перед плаваю-
133
щими. Иногда адсорбированные клетки менее активны, чем
неадсорбированные; на поверхности твердых предметов, напри-
мер, может скапливаться не только пищевой субстрат, но и
токсичные соединения.
Некоторые водные бактерии активно прикрепляются к твер-
дым поверхностям и существуют преимущественно в адсорбиро-
ванном состоянии, т. с. являются перифитонными формами
(греч. peri — около, phyton — растение).
Жизненные циклы перифитонных бактерий обычно включа-
ют стадию подвижных клеток, служащих для распространения
вида. У Caulobacter и других стебельковых бактерий подвиж-
ные клетки обладают
Рис. 18. Жизненный цикл Caulobacter
vibrioides.
Объяснения в тексте.
полярным жгутиком И
несколькими полярными
фимбриями, играющими
роль адгезивов (рис. 18).
При помощи фимбрий
клетка прикрепляется
к твердой поверхности,
хотя еще нс очень проч-
но. В дальнейшем клетка
у того же полюса, где бы-
ли расположены фимб-
рии, выделяет слизь, фор-
мирующую подушечку,
при помощи которой клет-
ка прочно приклеивается к
субстрату. Здесь же обра-
зуется стебелек. В каж-
дом поколении Caulobac-
ter дочерние клетки по-
движны.
Другие нерифитонные бактерии могут в течение длительного
времени развиваться без образования подвижных клеток. Так,
нитчатая бактерия Sphaerotilus natans растет в виде длинных
нитей, образованных цепочками цилиндрических клеток, за-
ключенных в слизистые чехлы. Нить одним концом прочно при-
креплена к субстрату. Клетки, находящиеся у свободного конца
нити, могут превращаться в подвижные гонидии — одиночные
палочки с субполярным пучком жгутиков. Гонидии, выделяя
клейкую слизь, прикрепляются к субстрату и прорастают в
новые нити. В течение некоторого времени нити растут, не
образуя гонидий.
Вся жизнь морской нитчатой бактерии Leucothrix mucor
связана с поверхностью плотных субстратов. L. mucor широко
распространен в южных и северных морях, является строгим
аэробом и развивается в зоне приливов на поверхности различ-
ных предметов, но главным образом на морских водорослях и
134
ракообразных. Нити L. mucor одним концом прикреплены к
субстрату. Обычно они образуют пучки (рис. 19). Клетки в
нити цилиндрические, их деление приводит к ее удлинению. В
определенный момент конечные клетки в нитях дифференциру-
ются в гонидии, которые отделяются от нее при образовании
перетяжки. Гонидии иногда отделяются группами, но затем эти
группы всегда распадаются на отдельные клетки. Гонидии пол-
зают по субстрату и при наличии достаточного их количества
образуют характерные звездчатые скопления. Очевидно, гони-
Объяснения в тексте.
дни выделяют аттрактант, привлекающий родственные клет-
ки,— явление, называемое гомотаксис (греч. homos — оди-
наковый, взаимный). На одном из полюсов гонидия выделяет
слизистое вещество, прочно приклеивающее ее к субстрату. Это
вещество клетка образует только после остановки, оно отлича-
ется от слизи, выделяемой клеткой во времи ползания. В лабо-
раторной культуре клетки L. mucor так же, как и других пе-
рифитонпых бактерий, иногда растут и делятся непосредственно
в питательном растворе, не прикрепляясь к субстрату, по это
совершенно неестественный для них способ существования.
В некоторых случаях клетки бактерий, плотно прикрепив-
шиеся к твердой поверхности могут активно от нее отделяться.
При этом происходит разрушение прикрепительных субстанций,
135
видимо, в результате активизации соответствующих ферментов.
Временная адгезия характерна для бактерий, жизнь которых
постоянно связана с поверхностью плотного субстрата; они иод.
зают или скользят по его поверхности, не прикрепляясь к ной
прочно. Ползающие бактерии прикрепляются к поверхности за
счет выделения клетками слизи, эта слизь необходима и для
их движения. Ползающие миксобактсрии —типично почвенные
бактерии. В водной среде обитают представители ползающих
бактерий, не образующих плодовых тел. В некоторых случаях,
как уже было отмечено, клетки таких бактерий с помощью мо-
лекулы фермента прочно прикрепляются к твердому субстрату,
используемому ими в качестве источника пищи.
Большинство клеток бактерий, населяющих почву, находит-
ся на поверхности се частиц. Почвенная среда также обычно
бедна растворенными органическими веществами, и поэтому
здесь имеют значение те же явления, что и в водной среде. Не-
которые процессы, например нитрификация, протекают в почве,
видимо, только на поверхности твердых частиц. Аммоний в
почве находится в адсорбированном состоянии так же, как
и клетки нитрифицирующих бактерий. Скорость нитрификации
возрастает при увеличении количества поглощенного почвенны-
ми частицами аммония и почти не меняется при изменении его
концентрации в растворе. Добавление к почве веществ, облада-
ющих способностью адсорбировать катионы, в том числе аммо-
ния, увеличивает интенсивность нитрификации; в отделенном
от почвы растворе нитрификация почти не происходит.
Для жизни почвы, состоящей преимущественно из твердых
частиц, явления адгезии микроорганизмов имеют особенно
важное значение*.
Специфическая адгезия, происходящая за счет взаимодей-
ствия между комплементарными молекулами — адгезппами баю
торий, и рецепторами — мишенями на поверхности клеток хо-
зяина, характерна для форм бактерий, связанных с организмом
человека и животных, в особенности патогенных, Адгезнны бак-
терии обычно находятся на концах различных выростов, имею-
щих в поперечнике несколько нанометров или долей нанометра
и в длину несколько микрометров. Бактериальные адгезнны мо-
гут быть белками или гликопротеинами, например, у многих
грамотрнцательных бактерий и микоплазм, липидной частью
лниотейхосвой кислоты или полисахаридами у некоторых стреп-
тококков и др.
Рецепторами эпителиальных клеток животных и человека
обычно служат углеводные остатки. Это D-галактозпльные ос-
татки для некоторых актиномицетов, I.-фукозные-  для холер-
* Эют гоиро. подробно рассмотрен в книге: Звягинцев Д. Г, Почва
и микрооргагн: мы М.. 1987.
136
ныл вибрионов, сиаловая кислота — для микоплазм, остатки
р-манлозы — для многих штаммов кишечных бактерий. У ки-
шечных бактерий с остатками D-маннозы взаимодействуют бел-
ковые фимбрии. Клетки, снабженные такими фимбриями, вы-
зывают чувствительную к маннозе гемагглютинацию — слипа-
ние эритроцитов, также обладающих маннозными рецепторами.
В присутствии маннозы адгезвны заняты, и гемагглютинация
не происходит. Антиген К-88 некоторых штаммов Е. соИ явля-
ется адгезином и взаимодействует с терминальными p-D-галак-
тозильпыми группами гликопротеина, присутствующего на по-
верхности клеток эпителия тонкого кишечника поросят, телят и
некоторых других животных. Бактерии, обладающие этим адго
энном, способны прикреп-
ляться к эпителию тон-
кого кишечника соответ-
ствующих животных и
могут вызывать у них
диаррею. К клеткам эпи-
телия слизистой толстого
кишечника тех же живот-
ных п вообще, к эпителию
животных эти бактерии
не мог)г прикрепляться
из-за отсутствия соответ-
Рис. 20. Схема строения поверхности брют
пой стороны ползающей бактерии MifsieUa
bovis (по: Irvin е. а., 1984)
ЬМ - |>1|<нничл м<-мбр;»1и, Ф Фьмбрчи
лиг.:>| и нм
ствующих рецепторов.
Таким образом, наличие
оп р одел сивых адгезн иов
определяе'1 круг хозяев
бактерий.
Упорядоченно распо-
ложенные фимбрии ГЛИКО-
протеиновой природы покрывают брюшную сторону питча лих
бактерий, относящихся к родам Si/noiisiella и Alysiclla. Эти бак-
терии прикрепляются к языку коровы и ползают по его пож рх
ноегп, не принося животному вреда. Нити бактерий уплощены
и только с одной, брюшной, стороны покрыты фимбриями, рас-
положенными правильными рядами (рис. 20). Только этой сто-
роной бактерии прикрепляются к эпителию. У этих бактерий
адгезия мало специфична, и шпп могут прикрепляться к во-
зерхности стекла или других iверных предметов. Имск  ли
фимбрии значение для скольжения бактерий, неизвестно.
АО//ТРОЛЕНЫЕ НОН:>()СЫ:
I.	Что собой представляют матнитоб.и<тер'|
2.	Какое излучение может быть н.-|.ч».н	. .................г
;;иоч нка энергии?
3.	Каковы основные эффекты щм :eiici пня УО па бактерии?
4.	Какова устойчивость различных бактерий к воздействию повышенно,
го давления?
5.	Что такое кардинальные температуры?
6.	В чем состоят адаптации психрофильных и термофильных бактерий?
7.	Каковы механизмы рН-гомеостаза?
8.	Каковы особенности галофильных бактерий?
9.	Каковы механизмы токсичности молекулярного кислорода?
10.	В чем состоит специфика олиготрофных бактерий?
11.	Каковы механизмы защиты бактериальной клетки от ионов тяжелых
металлов?
12.	Что такое SOS-система бактериальной клетки?
13.	Что такое аттрактанты и репелленты?
14.	Каковы механизмы адгезии у бактерий?
ГЛАВА 3
БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЙ*
Нейтрализм (лат. neutralis—не принадлежащий ни тому, ин другому) —
взаимоотношения, при которых микроорганизмы, развиваясь в составе одно-
го ценоза, не оказывают друг на друга непосредственного влияния. Косвен-
ная взаимозависимость организмов при этом неизбежна, поскольку они яв-
ляются элементами одного сообщества.
Конкуренция (лат. сопсиггеге — сталкиваться) — взаимоотношения ме-
жду организмами одного или разных видов, соревнующихся за одни и те же
ресурсы внешней среды при недостатке последних. Конкуренция может быть
пассивной — потребление ресурсов внешней среды, необходимых обоим орга-
низмам, или активной — подавление одного другим в результате образова-
ния определенных продуктов обмена. В микробиологии понятие конкурен-
ции обычно распространяют лишь на взаимоотношения между микроорганиз-
мами, хотя возможны конкурентные отношения между микро- и макроорга-
низмами, например почвенные микроорганизмы конкурируют с высшими
растениями за элементы минерального питания. В результате конкурентных
отношений реализуется принцип Вольтерры — Гаузс, который уже был упо-
мянут в гл. 1 и в соответствии с которым два вида не могут сосущество-
вать, если они занимают одну и ту же экологическую пишу.
Синтрофия (греч. syn — вместе, trophe — пища, питание)—способность
Двух или более видов бактерий осуществлять такой процесс, который ни
один из них не может осуществлять по отдельности.
Синтрофия является частным случаем симбиотических взаимоотношений
между бактериями.
Симбиоз (греч. symbiosis — совместная жизнь) — различные формы сов-
местного существования разноименных организмов, составляющих симбиоти-
ческую систему. В этих системах один из партнеров или оба, в определен-
ной степени возлагают на другого (или друг па друга) задачу регуляции
своих отношений с внешней средой. Основой для возникновения симбиоза
могут быть трофические, пространственные и другие типы взаимоотношений.
Один из партнеров системы или оба вместе приобретают возможность вы-
игрыша в борьбе за существование.
Симбиоз бывает факультативным, когда каждый из организмов ври от-
сутствии партнера может жить самостоятельно, и облигатным, когда один
Из организмов (или оба) оказывается в такой зависимости от другого, что
самостоятельное существование невозможно.
139
По характеру взаимоотношений между партнерами нылд.лыо! несколь-
ко типом симбиоза: комменсализм, паразитизм и мутуализм
Комменсализм (лат. сот — с, вместе и mensa— стол, трапеза), т. с со-
трапезпичество, форма симбиоза, при которой один из партнеров системы
(комменсал) возлагает па другою (хозяин) pci улятн<> своих отношений с
внешней средой, но не вступает с ним в тесные ornoineniiH. Основой для
коммспсалвиых отношений могут быть общее пространство, субстрат, кров,
пища. Присутствие комменсала для хозяина остается обычно безразличным,
т. е. понятие коммсиеа.инм сейчас понимается шире, чем сотрапезничество.
Паразитизм (греч. parasitos— нахлебник) - форма антагонистических
взаимоотношений двух различных организмов, при которой одни из них (па-
разит) использует другого (хозяина) в качестве среды обитания (среда 1-го
порядка) пли источника нищи, возлагая на пего регуляцию своих отношений
с внешней средой (среда 2-го порядка). Наблюдается различная степень спе-
циализации паразитов (приуроченность к различным органам и тканям) и
специфичноегь паразитов (приуроченность определенного вида паразита к
определенным видам хозяина). Считают, что узкая специфичность указывает
на давнее происхождение системы. В процессе эволюции параноической си-
стемы наблюдается тенденция к сглаживанию антагонистических отношений
между партнерами. Однако даже в самых стабильных системах паразит-
хозяин отношения между партнерами построены по принципу неустойчивого
равновесия, нарушения которого могут привести к распаду системы и гибели
одною или обоих партнеров. Паразиты принимают участие в регуляции чис-
ленности популяции хозяев, а иногда определяют направленность мпкроэво-
люинонных процессов. Паразиты подразделяются па об.пп .чтиые (обяза-
тельные) и факультативные (необязательные).
Мутуализм (лат. mutniis—взаимный)—форма симбиоза, при которой
отношения между партнерами характеризую>ся взапмовыгодпост’.ю и ни один
из них ис может существовать без другою.
Хищничество — такое отношение двух групп организмов, при котором
одна использует другую в пищу.
Антагонизм (гр.’ antagonism»—спор, борьба) — термин, применяемый к
T.-IKHM взаимоотношениям между микроорганизмами, когда один вид задер-
живает или полностью подавляет рост другого. Если угнетение взаимно, го-
ворят об аменсализме (лат. а — удаление, отказ и mensa — стол, кушание).
§ I. ФОРМЫ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ Г.АКТЕРИЙ
конкуренция
В отличие от условий, с которыми бактерии сталкиваются
при развидни на питательных средах в чистых культурах, в
природе в бактериальных ценозах им приходится выдерживать
борьбу за существование со своими соперниками, с которыми
у них складываются конкурентные взаимоотношения. Формы,
неконкурентоспособных неизбежно исчезнут из сообщества.
Механизмы конкуренции и адаптаций, позволяющие . разнооб-
разным видам выдерживать борьбу за существование, несом-
ненно крайне разнообразны и еще далеко не полностью повяты,
особенно если исследуются многокомпонентные сообщества.
Здесь мы рассмотрим лишь некоторые особенности бактерий,
имеющие отношение к стратегии их борьбы за существование.
К настоящему времени стало очевидным существенное .зна-
чение для успешной борьбы с соперниками особенностей бак-
терий, связанных с большей пли меньшей лабильностью чх об-
140
мена, в частности с их способностью использовать большее или
щеньшее число различных субстратов. В этом смысле различа-
две стратегии адаптации: генералнсты используют разнооб-
разные соединения, специалисты нуждаются для роста в строго
определенном веществе (или могут использовать лишь очень
немногие субстраты). Генералнсты, бесспорно, .четче находят
пищу, по специалисты обычно растут быстрее и получают пре-
имущество при избытке доступного им субстрата и быстрее, чем
генералнсты, его используют. Некоторые, наблюдения за разви-
тием разных видов тионовых бактерий, которые будут описаны
ниже, свидетельствуют о существовании и других преимуществ
у специалистов. Среди олиготрофов преобладают генералнсты,
но есть и специалисты, например метилотрофы вроде Hyphomic-
robium vtilgare.
В конкурентной борьбе организмы могут следовать г-стра-
тегяи (г — показа,ель скорости логарифмического роста попу-
ляции в нелимнтнрхющей среде) или К-стратсгнн (К—иоказа-
теть верхнего пределл численности популяции). При обилии
пищи г-стратеги быоро размножаются и получают преимуще-
ство, но в неблагоприятных условиях быстро отмирают. К-стра-
теги расходуют больше ресурсов па поддержание жизнеспособ-
ности. размножаются медленнее, но зато лучше сохраняются в
неблагоприятных условиях. К формам с г- и К-стратегпй могут
принадлежать как генералнсты, так и специалисты. В зависимо-
сти от условий получают преимущество организмы, следующие
тон или иной стратегии, причем имеют значение изменения сре-
ды как в проелрансгвс, так и во времени.
В экспериментальной микробиологии конкурентные взаимо-
отношения между популяциями разных видов бактерий иссле-
дуют при хемостатном культивировании бактерий. В простей-
шем случае конкурентные отношения моделируют, выращивая
формы, способные использовать один и тот же субстрат, вне-
сенный в среду. Очевидно, что организм, растущий быстрее при
всех возможных концентрациях субстрата, в данных условиях
выращивания скоро окажется в чистой культуре, так как при
лк бой скорости протока в пределах, обеспечивающих стабиль-
ность плотности популяции, его конкурент будет вымыт из
культиватора. Однако если кривые, отражающие зависимость
скорости роста от концентрации субстрата, перекрещиваются
(рис. 21), при высокой копией।рации субстрата буде, доми-
нировать организм /, а при низкой — другой организм--?.
Рееиыюсть подобной ситуации была установлена в опытах с
популяциями Thioinicrospira sp. и Thiobacillus sp. при измене-
нии концентрации железа в среде и в опытах с Escherichia coli
и Spirillum ср. при разных концентрациях лактата.
Величина концентрации субстрата, обеспечивающая 50п/о-
нУю скорость роста от максимальной, может служить показате-
лем особенности хода кривой, отражающей зависимость скоро-
М1
сти роста от концентрации лимитирующего субстрата. Считает-
ся, что кривые типа 1 (рис. 21) более характерны для специа-
листов и для r-стратегов, а кривые типа 2 — для генералистов
и К-стратегов. Следует, однако, признать, что эксперименталь-
ных подтверждений этого пока немного, а, кроме того, законо-
мерности могут в корне различаться при использовании бакте-
риями разных субстратов. При значении концентрации субстра-
та, соответствующем точке пересечения кривых (рис. 21), ско-
рость роста обоих организмов
одинакова, но практически та-
кое состояние не бывает ста-
бильным. Стабильное сосуще-
ствование популяций двух ор-
ганизмов, использующих один
субстрат, концентрационные
зависимости кривых скоростей
роста которых подобны пред-
Среда
Рис. 21. Типы кривых, отража-
ющих зависимость скорости
роста бактерий (скорости про-
тока среды Dt в хемостате) от
концентрации субстрата,
Объяснения в тексте.
Рис. 22. Лабораторная хемостатная
модель гетерогенной среды (по: Fred-
rickson, Stephanopoulos, 1981).
Объяснения в тексте.
ставленным на рис. 21, в гомогенной среде может наблю-
даться при периодическом (неравномерный проток) внесении
свежих порций субстрата, что, очевидно, довольно типично
для природных условий. Подобная периодичность наблюда-
ется, например, при смене сезонов. Неограниченное во време-
ни совместное развитие популяций двух подобных видов
возможно в гетерогенной среде. Простейшая эксперименталь-
ная модель подобной ситуации представлена на рис. 22. Све-
жая стерильная питательная среда подается в два хемостата.
Поток делится таким образом, что скорость разбавления в оД'
ном хемостате больше Dc, т. е. создающаяся здесь концентра-
ция субстрата больше, чем в точке пересечения кривых на
рис. 21, а в другом хемостате скорость разбавления такова, что
142
создается концентрация меньше Dc. Если культиваторы не
соединены, в одном сосуде устанавливается популяция одного
вида, а в другом — другого. Однако если между сосудами про-
исходит обмен среды, как это и показано на рисунке, смешан-
ная популяция будет стабильно сосуществовать в обоих со-
судах.
Конкуренция становится частичной, если в среде присутст-
вует второй субстрат, доступный одному из конкурентов. По-
добная ситуация была моделирована при выращивании в хемо-
стате Thiobacillus А-2, способного расти как гетеротроф за
счет ацетата и как хемолитотроф за счет тиосульфата или суль-
фида или как миксотроф за счет ацетата и тиосульфата. Кон-
курентом Thiobacillus А-2 являлся штамм Spirillum, облигат-
ный гетеротроф. В среде с одним ацетатом при не слишком
медленном протоке Thiobacillus вскоре исчезал из культуры.
Если к среде добавляли тиосульфат, конкуренция становилась
частичной, и обе формы сосуществовали.
Интересные результаты были получены при изучении кон-
курентных отношений в хемостате между четко выраженным
специалистом Thiobacillus neapolitanus, не способным использо-
вать органический субстрат и облигатно зависимым от тиосуль-
фата или сероводорода, и уже упомянутым Thiobacillus А-2 —
факультативным хемолитотрофом, использующим и соединения
серы, и органический субстрат, т. е. генералистом. При выра-
щивании в хемостате в присутствии одного тиосульфата пре-
обладал Th. neapolitanus, в присутствии смеси неорганического
(сульфид) и органического (ацетат) субстрата преимущество
получал Thiobacillus А-2. Однако если в хемостат периодически
с интервалом в 4 ч добавляли то сульфид, то ацетат, преиму-
щество получал Th. neapolitanus, хотя в присутствии ацетата
он не рос. Этот вид оказался очень устойчивым к голоданию в
присутствии ацетата. Снижение потенциальной способности к
окислению сульфида у него не наблюдалось не только в тече-
ние 4 ч, но даже в течение 5 дней голодания. При поступлении
сульфида в среду клетки этого вида немедленно начинали его
окислять с той же скоростью, что и в неголодавшей культуре.
Таким образом, бактерия оказалась крайне реактивной. Фа-
культативный хемолитоавтотроф Thiobacillus А-2 рос непрерыв-
но, так как мог переключаться с использования сульфида на
использование ацетата. Однако при смене субстрата, т. е. ис-
чезновении из среды ацетата и появлении сульфида, был опре-
деленный период адаптации, в течение которого в среде проис-
ходило накопление сульфида, его спонтанное окисление до
элементарной серы и угнетение бактерий. Таким образом, спе-
циалист оказался лучше приспособленным к условиям среды
с периодическим снабжением сульфидом.
Конкуренция за субстрат может осложняться другими взаи-
модействиями. Так, Lactobacillus casei н дрожжи, выращивае-
143
мне в хемостате в простой среде с глюкозой развиваются сов-
местно в широком диапазоне скоростей протока. L. casci облд.
даст абсолютной потребностью в рибофлавине и получает его
от дрожжей. Если к среде добавить рибофлавин в достаточно
высокой концентрации, дрожжи постепенно будут вытеснены.
Воздействие дополнительных факторов иногда коренным
образом изменяет результаты конкуренции. Многое может за-
висеть от температуры. При совместном выращивании Spirt Нищ
sp. и Pseudomonas sp. при температуре 16 °C доминировала
Spirillum sp., а при • 2 °C -- Pseudomonas sp.
В экспериментах с Е. coll и Azolobacter vinelandii, конкури-
рующих за глюкозу, преимущество имела Е. coll, азотобактер
постепенно исчезал из культуры. По если в среду вводили
простейшее Telrahymena pyriformis, питающееся клетками бак-
терий-конкурентов, в среде сохранялись оба бактериальных
вида.
Если два организма развиваются в среде, где присутствует
субстрат, который оба могут использовать, конкуренция между
этими организмами наблюдается нс всегда, даже если этот
субстрат единственный. Например, при выращивании в хемо-
стате на минимальной среде с глюкозой Lactobacillus planta-
rum и Propionibacterium shermanli наблюдался стабильный сов-
местный рост этих бактерий. Обе формы могут использовать
глюкозу, но Lactobacillus образует из глюкозы молочную кис-
лоту, которой отдает предпочтение Propionibacterium, поэтому
конкуренции за глюкозу здесь не происходит.
Существует много данных литературы, касающихся разра-
ботки математических моделей процессов конкуренции бакте-
рий в хемостате. Однако условия хемостата представляют собой
идеализацию реально существующих в природной среде. Успех
того или иного бактериального вида в борьбе за существование
может в решающей степени зависеть от его способности к ко-
лонизации, т. е. заселению, субстрата. Колонизация субстрата
обеспечивается разнообразными механизмами, некоторые из
которых уже были рассмотрены. Здесь большое значение могут
иметь хемотаксис, факторы адгезии, синтез взаимодействующих
с субстратом ферментов и др.
СИНТРОФИЯ
По определению синтрофия — это способность двух или бо-
лее. видов бактерий вместе осуществлять такой процесс, кото-
рый ни один из них не способен осуществлять по отдельности-
Основой таких взаимоотношений может быть передача факто-
ра роста, образование одним организмом субстрата, обеспечи-
вающего развитие другого, удаление одним организмом продув
та, токсичного для другого. Несколько механизмов синтрофия
могут действовать одновременно.
1-Н
Синтрофия, оспованная на обмене субстратом, наблюдается,
например, ПРИ разрушении микроорганизмами целлюлозы в
среде, лишенной связанного азота. Целлюлозоразрушающие
бактерии не способны фиксировать молекулярный азот, но мо-
гут получать продукты фиксации азота от азотфиксирующих
членов сообщества. Последние же, наоборот, неспособны исполь-
зовать клетчатку в качестве источника энергии и углерода, но
получают продукты ее гидролиза от целлюлозоразлагающих
членов сообщества. Для таких сообществ, развивающихся в
аэробных условиях, имеет значение также потребление целлю-
лозоразлагающими аэробами кислорода, так как понижение
содержания кислорода в среде благоприятно для азотфиксации.
Синтрофия, основанная на удалении из среды токсического
продукта, играет важную роль в ассоциациях, окисляющих
метан. Метилобактсрии обладают относительно малоспецифич-
ным ферментом монооксигеназой. Этот фермент кроме метана
частично окисляет многие другие соединения, в том числе выс-
шие углеводороды, с образованием высокотоксичных для мети-
лобактерий продуктов. В присутствии спутников метилобакте-
рий, окисляющих эти токсичные соединения, метанокисляющие
ассоциации стабильны, тогда как чистые их культуры легко
могут быть потеряны.
Наибольший интерес представляет широко распространен-
ная и природе, особенно в анаэробных экосистемах, синтрофия,
основанная на межвидовом переносе молекулярного водорода.
Реакции сбраживания летучих жирных кислот и спиртов с об-
разованием молекулярного водорода энергетически невыгодны,
если в среде накапливается молекулярный водород. В синтроф-
ных культурах с метапобразующими бактериями образующийся
Н2 немедленно окисляется до метана и в среде не присутствует.
Тогда становятся возможными реакции типа:
пропионат-Ч-ЗНаО = НСО-3+ацетат- ЬН'+ЗН», (I)
бутират-+2Н2О = 2 ацетат-+Н+ + 2Н2,	(2)
лактат--!- 21ЬО = ацетат-+ НСО“з+ Н2+2Н2,	(3)
этанол+И2О = ацетат- + Н+Ч-2Н2.	(4)
Организмы, осуществляющие такие реакции брожения, на-
зываются ацетогенными. Классическим примером подобной ас-
социации является синтрофное сообщество, первоначально опи-
санное как Methanobacillus omelianskii. В ассоциацию входит
эубактерия — S-организм, окисляющий этанол с образованием
ацетата и Н2. Архебактерии окисляет Н2 углекислотой с обра-
зованием метана: 4П2 + СО2=СН4+2Н2О.
Осуществляемые ацетогенными микроорганизмами реакции
энергетически выгодны при парциальном давлении П2 порядка
Ю-4 атм и ниже. Действительно, в рубце жвачных животных,
гДе функционируют подобные синтрофные ассоциации, парци-
альное давление Н2 — около 3-10-4 атм.
Синтрофные ассоциации, основанные на межвидовой передаче
>0 Заказ Ns 1в4	145
молекулярного водорода, могут использовать сахара и полиса-
хариды, хотя эти субстраты обеспечивают рост и чистых куль-
тур соответствующих эубактерий. Конечные продукты, образуе-
мые при развитии таких ассоциаций, однако, оказываются ины-
ми, чем при развитии чистых культур. Так, обитатель рубца
Selenomonas ruminantium в чистой культуре сбраживает глю-
козу с образованием лактата. При развитии в синтрофной ас-
социации с архебактерией Methanobrevibacter ruminantium в
качестве конечных продуктов образуются ацетат, метан и СО2.
При сбраживании клетчатки чистой культурой термофиль-
ной эубактерии Clostridium thermocellum образуются этанол,
ацетат, Н2 и СО2. В синтрофной ассоциации этой бактерии с
архебактерией Methanobacterium thermoautotrophicum образу-
ется ацетат, метан и СО2.
Следует иметь в виду, что в подобных -синтрофных ассоциа-
циях выигрывают не только метанобразующие архебактерия, но
и эубактериальные анаэробы, получающие из исходного субст-
рата больше энергии.
Известны облигатные синтрофные ассоциации метанобразу-
ющих бактерий с сульфатредукторами. Desulfovibrio vulgaris
способен к развитию в ассоциации с метаногепом за счет этано-
ла или лактата в средах с недостаточным содержанием суль-
фата. В этом случае образуется ацетат и метан. Метаноген
выполняет здесь роль внешнего окислителя, заменяя сульфат.
Некоторые бактерии, видимо, вообще нс могут развиваться
в чистых культурах — это облигатно синтрофные бактерии.
Так, Syntrophomonas wolfei осуществляет окисления солей на-
сыщенных жирных кислот от бутирата до октаноата с образо-
ванием ацетата или ацетата и пропионата, передавая Н2 либо
сульфатвосстанавливающей бактерии Desulfovibrio sp. в присут-
ствии сульфата, либо метанобразующей архебактерии Methane-
spirillum hungatel. Соответственно в синтрофной культуре на-
капливается сероводород или метан. Аналогичным образом
синтрофная бактерия Syntrophobacter wolinii окисляет пропио-
нат с образованием ацетата в ассоциации с сульфатредуктором
или метаногеном.
В синтрофных ассоциациях, описанных выше, перенос моле-
кул водорода между микроорганизмами однонаправлен, хотя
польза взаимная. Известны случаи, когда синтрофия основана
на двунаправленном переносе соединений серы. СульфатреДУ*
цирующая бактерия Desulfovibrio vulgaris, развиваясь за счет
органических кислот в присутствии сульфата, образует серово-
дород, который может использоваться серной пурпурной бакте-
рией рода Chromatium в процессе аноксигенного фотосинтеза.
В результате снова образуется сульфат, который может исполь-
зоваться сульфатредуктором.
Более тесная синтрофная ассоциация, основанная на обме-
не соединениями серы, состоит из зеленой фототрофной бакте-
146
рии рода Chlorobium и Desulfuromonas acetoxidans, использую1-
щего элементарную серу в качестве окислителя (рис. 23). Для
оптимального развития такой синтрофной культуры достаточно
невысокой концентрации сероводорода. Накопление сероводо-
рода неблагоприятно'для Desulfuromonas.
Пока неясно, имеет ли значение для описанных синтрофных
ассоциаций прямой контакт клеток разных видов. Некоторые
наблюдения свидетельствуют о том, что участники таких ассо-
циаций имеют тенденцию к образованию скоплений клеток.
Особый механизм синтрофии наблюдается у хемолитотроф-
ных бактерий при окислении ими пирита FeS2. Пирит может
быть разрушен чистой культурой Thiobacillus ferroxidans, спо-
собной окислять как серу, так и железо. Однако бактерии, оки-
сляющие только серу или только железо, не могут окислять в
чистых культурах пирит, так как в его кристаллической решет-
Рис. 23. Круговорот серы в синтрофной ассоциации
бактерий.
ке атомы железа и серы чередуются и нсокисленный элемент’
образует «кору», препятствующую дальнейшему окислению.
Однако пирит эффективно разрушается синтрофной культурой,,
в состав которой входят Leptospirillum ferroxidans, окисляю-
щий железо, но не серу, и Thiobacillus organoparus, Th. thio-
oxidans или Th. acidophilus. Эти виды тионовых бактерий в
чистых культурах окисляют только серу, пирит же ни один из
перечисленных микроорганизмов пе разрушает.
Некоторые случаи синтрофных взаимодействий могут иметь
практическое значение. Например, возбудитель болезни легио-
неров Legionella pneumophila обладает весьма высокой требо-
вательностью к условиям культивирования, но прекрасно раз-
вивается в простых средах в сообществе с цианобактериями.
При развитии L. pneumophila в организме человека она, види-
мо, может вступать в симбиотические отношения с другими па-
тогенными бактериями, в том числе с Haemophilus influenzae
или Neisseria meningitidis. Эти бактерии снабжают легиопеллу
факторами роста, в том числе цистеином.
При заражении помидоров при домашнем консервировании
одновременно Clostridium botulinum, вырабатывающим колбас-
10*	147
иый яд, и Bacillus licheriiformis, который сам по себе безвреден,
вероятность развития Cl. botulinum резко возрастает. В. liche-
niformis, способный развиваться при более низком значении pH
среды и способствующий снижению ее кислотности, создает
благоприятные условия для жизнедеятельности Cl. botulinum.
Некоторые инфекционные заболевания человека и животных
являются полимикробными, т. е. вызываются синтрофными ас-
социациями бактерий. К таким заболеваниям относится, напри-
мер газовая гангрена, обусловленная действием нескольких
видов возбудителей из рода Clostridium в ассоциации с различ-
ными аэробными бактериями, главным образом стафилококка-
ми и стрептококками. Воспалительные процессы во внутренних
органах человека часто связа-
ны с развитием нс образую-
щих споры анаэробных пало-
чек из родов Bacteroides и Fu-
sobacierium. Это обычно тоже
полимикробные инфекции. Па-
тогенные свойства В. melanino-
genicus вообще проявляются
только при его развитии в со-
обществе с другими бакте-
риями.
В некоторых случаях сим-
биотические взаимодействия
бактерий приводят к форми-
рованию так называемого кон-
сорциума (лат. consortium —
соучастие, сотоварищество), в
котором клетки двух видов объединены как бы в единый орга-
низм. Примером может служить консорциум Pelochromatium го-
scum (рис. 24). В центре консорциума находится подвижная от-
носительно крупная бактерия, относящаяся к сульфатредуциру-
ющим бактериям рода Desulfotomaculum. На ее поверхности си-
.дят клетки зеленой серобактерии Chlorobium phaeobacteroides.
Находясь в световой зоне водоема в анаэробных условиях, фото-
синтезирующие зеленые серобактерии снабжают центральную
сульфатредуцирующую бактерию органическим веществом и
окисленной серой, a Desulfotomaculum, выделяя сероводород
уже в микрозоне самого консорциума, снабжает фотосинтезиру-
ющие бактерии восстановителем. В результате такого взаимо-
действия консорциум может развиваться в таких водоемах, где
в анаэробной зоне присутствуют лишь следы сероводорода.
Консорциум проявляет фото- и хемотаксис, в 1 мл воды может
скапливаться несколько сотен тысяч таких комплексов. Деление
•организмов, входящих в консорциум, происходит синхронно,
что свидетельствует о высокой степени интеграции их метабо-
лизма.
Рис, 24. Схема строения консорциума
Pelochromatium roseum (по: Кузне-
цов, 1974).
.1—Desulfotomaculum sp., 2— Chlorobium
phaeobacteroides.
148
Механизмы «взаимопомощи» у бактерий могут быть связа-
ны не только с питанием. Так, патогенные для человека непод-
вижные Veillonella parvula и Actinomyces viscosus в ротовой
полости прикрепляются к поверхности представителей нормаль-
ной микрофлоры рта, способных к скользящему движению, и
таким образом перемещаются к участкам, благоприятным для
их развития.
АНТАГОНИЗМ
Бактерии одной популяции могут образовывать химические
соединения, токсичные для представителей другой. Если обе
конкурирующие популяции образуют такие вещества, говорят
об антагонизме, если ингибитор образует только популяции од-
ного вида, говорят об аменсализме.
Угнетение конкурентов может быть вызвано накоплением
значительных количеств продуктов обмена, прежде всего кис-
лот или щелочей. Так, при развитии бактериальных популяций
в молоке сначала наблюдается независимое размножение самых
разнообразных видов, но при наличии бактерий, осуществляю-
щих молочнокислое брожение, молоко постепенно подкисляет-
ся, и преимущество получают именно эти, относительно кисло-
тоустойчивые формы. Начинают доминировать молочнокислые-
кокки и лактобациллы. Последние, являясь наиболее кислото-
устойчивыми, в конце концов вытесняют и кокки. Уксуснокис-
лые бактерии можно поддерживать в чистой культуре, не при-
нимая мер против се заражения, лишь благодаря высокой
концентрации уксусной кислоты в среде, исключающей возмож-
ности развития других микроорганизмов. Так называемые уро-
бактерии в присутствии мочевины активно осуществляют се
гидролиз, в результате чего накапливается аммиак и среда
резко подщелачивается. Высокая щелочность и высокая кон-
центрация аммиака в среде препятствуют развитию многих кон-
курентов уробактерий.
Экзоферменты, прежде всего протеазы и лизоцимы, образу-
емые некоторыми бактериями, могут разрушать клетки других
видов.
При угнетении конкурентов продуктами нормального обме-
на клеток необходимо накопление значительных количеств со-
ответствующих веществ, и их действие мало специфично. Неко-
торые микроорганизмы образуют специфические продукты об-
мена, угнетающие или полностью подавляющие развитие других
видов микроорганизмов. Эти вещества называют антибиотика-
ми (см. гл. 2).
Как уже было отмечено, вопрос об экологическом значении
антибиотиков остается неясным. По мнению многих ученых, ан-
тибиотики служат их продуцентам средством нападения и за-
щиты. Однако в естественной среде обитания микроорганизмов
антибиотики, как правило, не могут быть накоплены в достаточ-
на
ных количествах, чтобы оказать свое действие. Даже в лабора-
торных модельных экспериментах продуценты антибиотиков не
всегда выигрывают в борьбе за существование. Так, например,
питательную сред}' в хемостате заражали одновременно клет-
ками кишечной палочки и стрептомицета, образующего анти-
биотик, к которому кишечная палочка чувствительна. Первое
время кишечная палочка была угнетена, по не полностью, и
скоро появились ее мутанты, устойчивые к антибиотику. Эти
мутанты вытеснили из хемостата медленно растущие клетки
стрептомицета. А позднее и устойчивые, к антибиотику мутанты
были вытеснены более быстро растущими клетками дикого
типа.
Возможно, ряд антибиотиков осуществляет регуляцию не-
которых процессов у их продуцентов. Синтез полипептидных ан-
тибиотиков бациллами, например, приурочен к периоду образо-
вания их клетками эндоспор. Рассматриваются антибиотики и
в качестве случайных продуктов жизнедеятельности, не имею-
щих значения для образующих их микроорганизмов. Накопле-
ние антибиотика нередко наблюдается в маложизпеспособных
лизирующихся культурах. Вопрос о биологических функциях
антибиотиков, видимо, не может быть решен однозначно, но их
образование, по крайней мере в некоторых случаях, способст-
вует выживанию микроорганизмов в естественной среде. Раз-
личные актииомииеты, среди которых особенно много продуцен-
тов антибиотиков, развиваясь в нестерильной почве, могут на-
капливать антибиотик, который служит защитой для микроко-
лоний этих организмов от других микроорганизмов, способных
использовать их как источник пищи.
БАКТЕРИИ —ПАРАЗИТЫ МИКРОБОВ
И БАКТЕРИИ ХИЩНИКИ
Известны лишь немногочисленные случаи паразитизма мик-
роорганизмов на микроорганизмах. Так, широко распространен
в природе своеобразный микоплазмоподобный организм Metal-
logenium, образующий звездчатые микроколопии, состоящие
из тонких нитей, пропитанных окисламн железа и марганца.
Metallogenium часто паразитирует па клетках или колониях
водорослей, грибов, бактерий.
Мелкий вибрион Vampirovibrio chlorellavorus является обли-
гатным паразитом, существующим за счет клеток некоторых
форм одноклеточной водоросли Chlorella. Вампировибриоп не
может развиваться в органических средах и даже на убитых
клетках хлореллы. Бактерия прикрепляется к оболочке водо-
росли своим передним концом, на котором образуется слизистая
прикрепительная подушечка. К одной клетке водоросли может
прикрепиться несколько десятков вибрионов (рис. 25). Вибрио-
ны не разрушают оболочку водоросли, но каким-то образо.м
150
увеличивают проницаемость клетки водоросли и растут за счет
поступающих из клетки веществ. Зараженные вибрионами
клетки хлореллы перестают расти и делиться и через некоторое
время разрушаются, от них остаются только обрывки оболочек.
Однако клетка водоросли гибнет не сразу. При помощи анти-
биотиков, например пенициллина, можно убить бактерии, нс
повреждая водоросль, т. е. как бы вылечить се. Вылеченные
клетки способны расти, делиться и образовывать колонии. Та-
Рис. 25. Клетки Vampirovibrio chlorellavorus, прикрепив- •
шисся к клеткам хлореллы. Сканирующий ЭА1, yii.XIOOOO.
1 3 ризные этапы инфекции.
ким образом, вампировибриопы являются истинными паразита-
ми, не вызывающими немедленной гибели хозяина.
Иначе ведет себя другой вибрион, который уже может рас-
сматриваться как настоящий хищник.
Хищниками, питающимися другими грамотрицательными
бактериями, являются виды грамотрицательных бактерий рода
Udellovibnu. Этс мелкие вибрионы диаметром 0,2 — 0,5 и дли-
ной 0,5—1,4 мкм, активно подвижные благодаря работе мощ-
ного одетого чехлом полярного жгутика. Для бделловибриоиов
характерен бифазпый клеточный цикл (рис. 26). Быстро (ско-
рость более 100 мкм/с) плавающий вибрион случайно натыка-
ется на клетку потенциальной жертвы, которая обычно значи-
тельно крупнее вибриона. Если во внешней мембране бактерии
содержатся соответствующие рецепторы, вибрион прикрепляет-
ся к ним. Рецепторную роль, видимо, могут играть белки внеш-
151
ней мембраны. Вибрион проделывает дыру во внешней мемб-
ране и муреиновом слое оболочки бактерии и быстро проникает
в периплазматическое пространство жертвы. Клетка жертву
скоро несколько раздувается и округляется, превращаясь в так
называемый бделлопласт. Его образование связано с воздейст-
вием на клеточную стенку бактерии образуемых вибрионом
ферментов, в том числе нарушающих структуру липополисаха-
рида, липопротеина и других ее компонентов. Вместе с тем му-
Рис. 26. Схема жизненного цикла хищной бактерии Bdello-
vibrio.
Объяснения в тексте.
реиновый слой оболочки жертвы становится нечувствительным
к лизоциму, что препятствует проникновению в эту клетку дру-
гих вибрионов и таким образом исключает конкуренцию между
хищниками.
Вскоре после проникновения бделловибриона в периплазма-
тическое пространство бактерии-жертвы, последняя теряет ос-
новные жизненные функции — например, прекращаются процес-
сы энергетического метаболизма, белкового синтеза, клетка
умирает. Используя ее в качестве нищи, вибрион растет, при
этом он неподвижен и не делится, в результате роста он прев-
ращается в длинную спиральную клетку. Размер таких спира-
лей определяется объемом хозяина. Израсходовав запасы пищи,
152
бактерия делится на множество коротких подвижных вибрионов,
которые выходят из остатков клеточной оболочки жертвы.
Вибрион, проникший в клетку бактерии, растет очень быст-
ро, используя продукты частичного распада ее макромолекул.
Мирные кислоты, например, непосредственно, без модификации,
включаются в липиды вибриона, и их состав оказывается иден-
тичным у хищника и жертвы.
Круг возможных хозяев разных видов и штаммов бделло-
вибрионов различен. Обычно их жертвами становятся предста-
вители группы кишечных бактерий. Вибрионы, выделенные из
естественной среды, как правило, развиваются только за счет-
живых бактерий, но не могут быть получены мутанты, образую-
щие колонии на органических средах.
Вделловибрионы широко распространены в природе и встре-
чаются в пресноводных водоемах, морях, почве. Однако обычно
их находят в средах, загрязненных органическими отходами.
Вделловибрионы обладают хемотаксисом, но не к клеткам
жертв, а к некоторым органическим веществам, наличие кото-
рых может свидетельствовать о благоприятных условиях для
развития жертв.
Столкновение клеток вибриона и жертвы — случайное явле-
ние, вероятность которого зависит прежде всего от плотности
популяции последней. Считается, что благополучное существо-
вание популяции вибриона возможно только при концентрации
клеток жертв порядка 105 — 106/мл. В противном случае виб-
рионы либо гибнут от голода, либо образуют покоящиеся клет-
ки— цисты, образования с утолщенной оболочкой.
Многие формы миксобактерий выделяют мощные гидроли-
титические ферменты, способные разрушать клетки как живых,
так и мертвых бактерий, и поэтому могут рассматриваться или
как хищники, или как сапрофиты.
§ 2. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ БАКТЕРИЙ
С БЕСПОЗВОНОЧНЫМИ ЖИВОТНЫМИ
СИМБИОНТЫ ПРОСТЕЙШИХ
Симбиотические отношения бактерий с простейшими широко
распространены. Обычно бактерии расположены внутри клеток
простейших и являются, таким образом, эндобионтами. Сим-
бионтам приписывают различные функции, преимущественно
на основе умозрительных соображений.
Бактериальные клетки неоднократно обнаруживали в цито-
плазме и ядрах амеб. У Amoeba proteus палочковидные бактерии
расположены в вакуолях, различные клоны амебы могут быть
снабжены симбионтами или лишены их. Американский ученый
К. Джон сообщил о превращении бактерий, патогенных для
153;
этой амебы, в безвредных симбионтов. Бактерии, заразивщце
культуру, первоначально вызывали снижение жизнеспособности
амеб, но через 5 лет культивирования в лаборатории заражен,
ных амеб признаки угнетения уже не наблюдались. В опытах
по пересадке ядер от зараженной амебы амебе, не содержа,
щей бактерий, было установлено, что эти ядра сравнительно
мало жизнеспособны в цитоплазме без бактерий. К. Джон счи-
тает, что ядро амебы, имеющей симбионта, приобретает завися-
мость от бактерий, и, таким образом, прослеживается иревра-
щение паразита в симбионта, необходимого хозяину.
Наличие симбионтов в цитоплазме—характерный признак
амеб рода Pelomyxa. У Р. palustrls бактерии расположены во-
круг ядра в вакуолях, имеющих анастомозы друг с другом и
образующих единую систему лакун и трубочек, связанную с
мембраной ядра. Поскольку у Р. paluslrts нет митохондрий, их
функции приписывают бактериям.
Облигатный симбиоз с бактериями свойствен гсмофлагелля-
там (Mastigophora, Trypanosomatidae). У Blastocrithidia си-
Beus включения, давно известные как диплосомы, а у Criihidia
culicus как биполярные тела, оказались бактериями с редуци-
рованной клеточной стенкой. Каждая клетка простейшего обыч-
но содержит одну бактерию, которая делится незадолго перед
делением клетки хозяина. Симбионт окружен двумя мембрана-
ми, причем внешняя мембрана, видимо, образована хозяином.
Используя обработку хлорамфениколом, можно получить
культуры упомянутых видов простейших, свободные от симбион-
тов. В отличие от исходных форм такие культуры нуждаются в
гемине и других ростовых факторах. Показано, что связанный
с синтезом гема фермент уропорфирпногеп-1-синтстаза содер-
жится только в клетках симбионта.
Симбиотические бактерии часто обнаруживаются в цито-
плазме и ядрах инфузорий. Симбиотические бактерии обнару-
жены у инфузорий различного систематического положения, од-
нако основное внимание исследователей привлекают симбионты
двух видов Paramecium: Р. aurelia и Р. caudatum.
Бактерии, развивающиеся в клетках инфузории Paramecium,
были открыты еще в прошлом веке, так что уже в 1890 г.
В. В. Хавкин смог дать краткий обзор такого рода работ. Им
же были изучены и описаны виды Holospora — внутриядерные
симбионты (паразиты) Р. caudatum. Наблюдения В. В. Хавки-
на приводились И. И. Мечниковым в качестве примера парази-
тизма бактерий в клетках одноклеточных животных. Симбион-
ты Paramecium видоспецифичпы.
Виды Holospora обитают в ядрах Р. caudatum. Клетка ин-
фузорий содержит два типа ядер: соматическое—высокоплоид-
ный макроиуклеус—и генеративное — микронуклеус. Эти ядра
различаются структурно и функционально. В течение вегета-
тивного развития животного микронуклеус неактивен. При по-
154
ловом процессе макронуклеус дегенерирует, новое же вегета-
тивное ядро образуется из дериватов микронуклеуса. В микро-
иуклеусе Р. caudatum могут находиться клетки Holospora
tindulata, где они проходят закономерный цикл развития. Веге-
тативные клетки Н. undulaia длиной 1,5 — 2,0 мкм делятся пу-
тем перетяжки. Некоторые клетки, перестав делиться, стаио-
вятся значительно длиннее — до 12—15 мкм — и несколько тол-
ще и через ряд промежуточных стадий превращаются в извитые,
неподвижные и никогда не делящиеся клетки (рис. 27). Эти
клетки служат для заражения инфузорий. Одну половину клет-
ки-споры занимает развитая сеть мембран, связанных с цито-
плазматической мембраной, другая — заполнена гомогенным
веществом. В слабых растворах соляной кислоты происходит
мгновенный выход из оболочки споры тела, соответствующего
ее электронно-плотной части.
Микронуклеус зараженной парамеции содержит несколько
сотен бактерий. Размеры зараженного микронуклеуса увеличи-
ваются, но количество ДНК в нем уменьшается, иногда наблю-
дается полиморфизм микронуклеусов. Симбионты вызывают ак-
тивизацию в норме неактивного микронуклеуса, в ядерной обо-
лочке образуется большое число пор, хроматин диспергируется.
Зараженные парамеции не обнаруживают признаков дегенера-
ции и нормально делятся, по не вступают в половой процесс.
Однако после освобождения от симбионтов способность к
конъюгации восстанавливается.
При митотическом делении зараженного микронуклеуса
часть симбионтов, главным образом находящихся на вегетатив-
ной стадии развития, попадает в дочерние микронуклеусы, но
большое количество спор, ориентированных параллельно мик-
ротрубочкам веретена, остается в его центральной части. Оста-
точное тело оказывается в одной из дочерних клеток, где скоро
разрушается, а до 200 спор выводится в окружающую среду.
Споры заглатываются парамециями, попадают в пищевари-
тельные вакуоли, а затем в микронуклеус.
Н. obtusa локализована строго в макронуклеусе того же
вида Paramecium. Вегетативные веретеновидпые клетки делят-
ся с помощью перетяжки. В процессе удлинения и внутрикле-
точной дифференцировки вегетативные клетки превращаются в
палочковидные клетки — споры — длиной до 15— 18 мкм. У них
обнаруживаются те же особенности ультраструктуры, что и у
fl. undulaia.
Зараженное //. oblusa ядро простейшего содержит несколь-
ко сотен клеток симбионта. После деления макронуклеуса боль-
шое число бактерий остается в остаточном теле и затем выво-
дится из организма инфузории. Зараженные парамеции нор-
мально делятся, по теряют способность вступать в половой про-
чесе. Виды Holospora интересны в том отношении, что
обнаруживают необычные жизненные циклы и высокую степень
155
Рис. 27. Клетки Holospora obtusa — симбионта
инфузорий.
1	— дифференцированные клетки инфекционной сталии.
Окраска генцианом фнолеювым, светлое поле. Уи.х20(К».
2	— ультратонкнй срез зараженного ядра. Ун.ХЗОООО.
специализации к определенным клеточным органеллам и к оп-
ределенным видам животных.
У другого вида Paramecium — Р. aurelia, описано больше
различных симбиотических бактерий, причем особенный интерес
представляют бактерии, развивающиеся в ее цитоплазме. К ро-
ду Caedibacter относя т грамотрицательные мелкие неподвижные
палочковидные бактерии, основная отличительная особенность
которых состоит в том, что в их популяции всегда имеются клет-
ки, содержащие так называемые R-тела. R-тсло сильно прелом-
ляет свет и образовано скрученной белковой лентой, имеющей
длину около 10 мкм, ширину около 0,5 мкм и толщину— 13 нм.
Клетки с R-телами обычно несколько крупнее остальных и со-
держат, кроме того, многочисленные частицы, напоминающие
бактериофаги, или многочисленные копии кольцевой плазмид-
ной ДН1\. Образуются R-тела в результате индукции экстра-
хромосомной ДНК бактерии. Для бактерии такая индукция де-
тальна, поскольку клетки с R-телами не способны к размноже-
нию. Инфузории, содержащие клетки Caedibacter, становятся
-«убийцами» инфузорий того же вида, но не содержащих симби-
онтов. Если животное заглатывает клетки Caedibacter, содержа-
щие R-тела, белковая нить, образующая R-тело, раскручивается
в пищевых вакуолях инфузории, разрушая их мембраны, и вме-
сте с содержимым вакуолей попадает в цитоплазму. Непосредст-
венные причины гибели животного остаются неясными. Заглаты-
вание инфузориями клеток Caedibacter, лишенных R-тсл, приво-
дит к заражению их этими симбионтами, в результате чего они
приобретают иммунитет к действию соответствующих «убийц».
Различные виды бактерий рода Caedibacter различаются преи-
мущественно симптомами процесса гибели чувствительного жи-
вотного. Так, С. taeuiospiralis вызывает образование абораль-
ного вздутия, С. varicaedens — вакуолизацию или паралич.
Caedibacter является компонентом тройственного симбиоза,
поскольку инфузории содержат бактерии, а бактерии заражены
вирусом. Биологический смысл описанных явлений остается не-
ясным.
К роду Pseudocaedibacter относят бактерии, сходные с
представителями рода Caedibacter, но неспособные к образова-
нию R-тел. Некоторые Pseudocaedibacter также придают хозяи-
ну свойства «убийцы». Цитоплазматическими симбионтами
F. aurelia являются также бактерии родов Lyticum и Tectibac-
ter.
В природных популяциях Р. aurelia цитоплазматические
симбионты встречаются весьма часто, хотя не всегда сохраняют-
ся в лабораторных культурах инфузорий. Клетка зараженного
Животного может содержать сотни и даже тысячи бактерий. У
голодающнх инфузорий иногда наблюдается исчезновение сим-
бионтов или, наоборот, животное погибает, а бактерии бурно
Размножаются. В соответствии с названием формы Lyticum
157
образуют токсин, вызывающий лизис чувствительных инфу,
зорий.
Многие бактерии — симбионты инфузорий — в культурах не
были получены и, видимо, являются облигатными симбионтами.
Биологический смысл рассмотренных примеров симбиоза не
всегда понятен. Приобретение свойств «убийцы» хозяином мо-
жет быть выгодным для симбионта, поскольку зараженные жи-
вотные получают преимущество в борьбе за существование со
своими сородичами, лишенными симбионтов, что способствует
распространению этих бактерий. Однако наличие бактериаль-
ных симбионтов как будто не приносит очевидной пользы попу-
ляциям парамеций, в случаях внутриядерных бактерий наблю-
дается нарушение полового процесса. Как уже упоминалось,
И. И. Мечников считал бактерий, развивающихся в клетках па-
рамеций, паразитами. Симбиотические системы бактерии — па-
рамеции возникли давно и прошли длительный путь эволюции,
приведший к установлению достаточно стабильного их состоя-
ния. Содержащие симбионты животные выдерживают давление
отбора. Особый интерес представляют виды Holospora с уни-
кальным типом организации клетки.
Интенсивные исследования анаэробных микроорганизмов,
проведенные в последние годы, привели к открытию симбиоти-
ческих систем, в которых участвуют метаногенные бактерии.
Метаногенные архебактерии часто оказываются симбионта-
ми пресноводных или морских анаэробных простейших — амеб
и инфузорий. В клетках этих животных они обычно ассоцииро-
ваны с микротслами — гидрогеносомами, в которых происходит
образование из пирувата водорода, СОг и ацетата.
Метаногены используют эти продукты в своем метаболиз-
ме и образуют метан. Для хозяина симбионты служат конечны-
ми акцепторами электронов, а сами архебактерии находят в
клетке простейшего защиту и источник питания.
СИМБИОНТЫ ЧЛЕНИСТОНОГИХ
Внутриклеточные бактерии обнаружены у многих представи-
телей следующих отрядов насекомых: Blattoptera, Isoptera,
Mallophaga, Anoplura, Hemiptera, Coleoptera, Hymenoptera,
Diptera, Homoplera и у клещей.
У насекомых симбионты обычно располагаются в клетках
специальных органов — мнцстомов — или в определенных участ-
ках тела в специализировапиных клетках — мицетоцитах. Суп1е'
ствует большое разнообразие анатомической организации мй'
цетомов и способов передачи симбионтов потомству.
Симбионты обычны у форм насекомых, питающихся древй-
синой, соком растений или кровью, и отсутствуют у хищных
форм, например у хищных клопов. Однако у таракановых сим-
бионты присутствуют всегда и у всех видов независимо от ха'
158
рактера питания. Симбионтами обладают насекомые обоего по-
да или только самки (например, у некоторых тлей). Потомству
симбионты обычно передаются через яйца и лишь в редких
случаях через сперму.
У насекомых с паноистическим типом оогенеза, при котором
отсутствуют специальные питающие ооцит клетки, мицетоциты
мигрируют к созревающим яйцам, и симбионты располагаются
по всему яйцу, но у большинства насекомых, имеющих мероис-
тический тип оогенеза, когда ооцит окружен питающими клет-
ками, клетки фолликулярного эпителия расходятся на .некото-
рое время, образуя лакуну, через которую бактерии проникают
в яйцо, заражая один из его полюсов. Затем лакуна закрыва-
ется, и формируется хорион.
Симбиотические бактерии, относящиеся к роду Blattabacle-
rium, присутствуют у всех тараканов и у примитивных терми-
тов. Симбионты развиваются в мицетомах жирового тела и в
ооцитах и передаются потомству с яйцами. Иной путь передачи
симбионтов, видимо, невозможен.
Клетки Blaltabacterium имеют обычную для грамположи-
тсльных бактерий ультраструктуру, хотя у них не удается выя-
вить четкого нуклеоида (рис. 28). Бактерии обычно окружены
скоплениями мембран и мембранных трубочек, происходящих
из мембран мицетоцитов или ооцитов. В ооцитах они распола-
гаются между мембранами яйца и клеток фолликулярного эпи-
телия или внутриклеточно.
Обработкой антибиотиками можно освободить насекомых
от симбионтов. Тараканы, лишенные симбионтов, слабо пигмен-
тированы, менее активны, развиваются медленно, не избегают
света в отличие от нормальных особей и в конце концов деге-
нерируют. Симбионт, видимо, снабжает хозяина рядом фермен-
тов азотного обмена, особенно необходимых насекомому в личи-
ночной стадии. Активность метаболизма глюкозы и накопления
глюкозо-6-фосфата в жировом теле с симбионтами значительно
больше, чем в жировом теле без симбионтов, что свидетельст-
вует об эффективности гликолитических процессов у бактерий.
Симбионты повышают активность сукцинатоксидазы и цитохро-
моксидазы, а также содержание АТФ в жировом теле. Это
позволяет считать, что симбионты отчасти несут функции ми-
тохондрий в клетках хозяина. Бактерии, кроме того, снабжают
развивающееся яйцо витаминами группы В и другими биологи-
чески активными соединениями и определяют жизнеспособность
яиц. Впрочем, причина необходимости симбионтов для тарака-
на еще нуждается в уточнении. Активность бактерий, развиваю-
щихся в организме таракана, регулируется гормонами пасекомо-
го. Вителлогенез и развитие ооцитов у таракана стимулируются
Ювенильным гормоном, вырабатываемым прилежащим телом.
Введение этого гормона или гомогената прилежащего тела на-
159
секомому приводит к изменениям в строении цитоплазматичес-
кой мембраны бактерий, активизируя ее функции.
Симбиоз с бактериями характерен и для цикад. У них опц.
сано более 50 различных типов симбионтов, которых принято
Рис, 28. Ультрагонкие срезы клеток жирового тела таракана,
содержащих симбиотические бактерии.
/ — общий вид клеток. Ув.ХИООО; 2 видны мембраны вакуолей, за
ключя'ощпе клетки бактерий, УнХ4()000.
обозначать буквами греческого или латинского алфавита. Неко-
торые виды цикад обладают только одним, обычно так называ-
емым а-симбионтом. Около половины изученных видов цикаЛ
содержат симбионты двух типов а и t, но нередко насекомое со-
держит три и более, в отдельных случаях шесть разных симби-
онтов. Кроме бактерий у цикад нередко в качестве симбионтов
выступают грибы. Симбионты передаются потомству через яй-
160
ца, причем механизм этой передачи сложен и неодинаков у
разных форм. Следует отмстить, что симбионтов из тканей рав-
нокрылых часто трудно идентифицировать. Наиболее изучены
а- и /-симбионты цикады Euscelis plebejus. Симбионт а являет-
ся основным, a t относится к группе вторичных, имеющих для
насекомого не столь важное значение. Клетки симбионтов не-
правильной формы и на ультратонких срезах выглядят несколь-
ко «необычно», т. е. не так, как обычные бактерии. Они окруже-
ны тремя мембранами: две собственные, а третья образована
хозяином. ДНК-содержащие зоны пе выявляются. У обоих сим-
бионтов описаны вегетативные и инфекционные стадии, или
формы, различающиеся морфологически и функционально. Об-
разование инфекционных форм связано с переходными момен-
тами в цикле симбионтов, с заражением мицетоцитов и ооцитов
и, очевидно, контролируется гормонально.
Инфекционные формы а-симбионта характеризуются элект-
ронно-плотной цитоплазмой, неравномерным распределением ри-
босом и наличием мембранных включений. Цитоплазма вегета-
тивных форм менее плотная, рибосомы в клетке распределены
равномерно. В вегетативных клетках а-симбионта находят кри-
сталлические включения.
Клетки /-симбионта содержат электронно-плотные включения
белковой природы и кристаллические тела. Клетки вегетативной
стадии неправильной формы и имеют более плотную цитоплаз-
му, тогда как клетки инфекционной стадии более правильной
формы и электронно-прозрачны.
Распространение и развитие симбионтов в организме хозяи-
на-насекомого находится под строгим контролем со стороны
последнего. Многократно изучавшиеся циклы а- и /-симбионтов
Euscelis plebejus могут служить иллюстрацией сложности взаи-
модействия симбионтов с хозяином.
Яйцо цикады на заднем конце несет шарообразные образо-
вания диаметром 50 — 60 мкм, содержащие инфекционные фор-
мы симбионтов. После откладки яйца такой «шар» окружается
эпителием бластодермального происхождения. Через несколько
дней в яйце из вителлофагов образуется популяция одноядер-
ных полиплоидных клеток—агклеток, которые проникают в «ша-
ры» и, поглощая а-симбионты, превращаются в щ-мпцетоциты. В
каждый «шар» попадает около 25 агклеток. Затем начинается
формирование второй популяции клеток— будущих мицетоцитов
мезодермального происхождения. Эти клетки одноядерны и поли-
плоидны, их ядра крупнее, чем у ai-мицетоцитов. Они проникают
в «шары» и заглатывают/-симбионты, превращаясь таким обра-
зом в /-мицетоциты. Содержащий а- и /-мицетоциты «шар» ста-
новится сложным первичным мнцстомом. Сюда начинают прони-
кать двуядерные аг-клетки с невысокой плоидностыо, также име-
ющие мезодермальное происхождение. Они превращаются в а2-
Мицетоциты, получая а-симбионты от а-клеток, которые дегене-
11 Зака» Ht 164
161
рирутот. В этот момент а-симбионты находятся в инфекционной
форме. Первичный мицетом превращается в переходный, а его
а- и /-симбионты-—в вегетативные формы. Во время скручива-
ния зародыша переходный мицетом делится на два смешанных,,
или двойных, мицетома.
Каждый такой мицетом состоит из одного а- и одного /-ор-
гана и в дальнейшем превращается в латеральный мицетом,,
располагающийся с двух сторон брюшной полости насекомого,.
a-орган переходит в синцитий, круглые ядра его клеток стано-
вятся дольчатыми, клетки /-органа не сливаются и форма их
ядер не меняется; а- и /-органы окружаются эпителиальной
оболочкой. Латеральные мицетомы мужских особей в процессе
дальнейшего развития существенно не изменяются, тогда как в.
женских особях мицетом образует инфекционные бугорки, при-
касающиеся к овариолам. К моменту созревания яиц в бугор-
ках накапливается до 30 000 инфекционных форм а-симбионта.
Инфекционные формы /-симбионта оказываются в мигрирующих
мицетомах, образуемых /-органом. Инфекционные формы обоих
симбионтов переходят в гемолимфу, /-формы вместе с мигриру-
ющими мицетомами, которые здесь разрушаются; а- и /-симби-
онты с током крови пассивно заносятся в овариолы, где фаго-
цитируются клетками фолликул, и поступают в ооцит перед
формированием хориона. На заднем полюсе яйца они группиру-
ются в «шары», закончив, таким образом, цикл своего разви-
тия.
Следует отметить, что формирование мицетомов не является
реакцией организма насекомого на внедрение бактерий, но
происходит и у особей, лишенных симбионтов.
Как уже говорилось, при помощи бактерицидных веществ
могут быть получены насекомые без симбионтов, однако жизне-
способные особи образуются только из яиц, зараженных симби-
онтами.
СИМБИОНТЫ ИОГОНОФОР, моллюсков,
червей и губок
Одним из интереснейших биологических открытий послед-
него времени было обнаружение активной жизни в области
глубинных океанических термальных источников на глубине
около 2500 м около Галапагосских островов. Совершенно уни-
кальной особенностью этой жизни является ее полная независи-
мость от энергии солнца, поскольку здесь используется исклю-
чительно геотермальная энергия. Среди обитателей области
глубоководных терм найдена, в частности, погонофора Riftia
pachyptlla Jones, диаметр ее трубкоподобного тела достигает
38 мм, а длина 1,5 м. Пищеварительный тракт у этого живот-
ного полностью отсутствует, и обмен веществами с внешней сре-
дой осуществляется непосредственно через эпидермис. Питание
162
организма ооеспечивается процессами, происходящими в трофа-
лосомах — специализированных участках ткани животного,,
включающих клетки бактериоциты. Бактериоциты наполнены
плотно упакованными клетками грамотрицательных бактерий,.
концентрация которых достигает
источника содержится до 0,16 мМ
сероводорода, который и окис-
ляют бактерии, населяющие тро-
фалосомы. Трофалосомы имеют
развитую сосудистую систему, че-
рез кровь осуществляется снаб-
жение бактерий О2 и СО2. В
клетках, содержащих симбионты,
находится цитоплазматический
гемоглобин, обеспечивающий пе-
ренос кислорода к симбионтам
через цитоплазму. Бактерии яв-
ляются автотрофами и осущест-
вляют синтез органического ве-
щества за счет энергии окисле-
ния сероводорода. Продукты хе-
мосинтеза — единственный источ-
ник питания как бактерий, так
и их хозяев.
С симбиотическими бактерия-
ми связаны и другие виды пого-
нофор, развивающиеся в менее
экзотических условиях.
Широко распространены, в
том числе и на небольших глу-
бинах, мелкие погонофоры. Тело
животного представляет собой,
по существу, бактериальный куль-
тиватор (рис. 29). Погонофора
Рис. 29. Схема строения маленькой по-
гонофоры, погруженной в морской оса-
док (по: Southward е. а., 1986).
/--органическая трубка, окружающая тело
животного; 2 — щупальце; 3 — задняя часть
тела животного, наполненная бактериями-
симбионтами; 4 — опистосома — копающий ор-
ган животного, лишенный симбионтов и вы-
ступающий из трубки.
,7-109 на 1 г ткани. В воде
заключена в экскретируемую сю трубку, образованную органи-
ческим веществом, легко пропускающим только растворенные в
воде молекулы. Многочисленные клетки бактерий расположены
в задней части тела животного, погруженной в восстановленную
область осадка. Иловый раствор здесь содержит восстановлен-
ные соединения, в том числе сероводород, который и окисляют
11
165
хемолитотрофные бактерии-симбионты. Необходимый для этого
кислород доставляется богатой гемоглобином кровью, циркули-
рующей между Цупальцем и задней частью тела, населенной
симбионтами. Не исключена возможность развития в теле пого-
нофоры и других литотрофных бактерий. В осадках обычно со-
держится не очегь много сероводорода, но и животные растут
очень медленно, возраст небольших экземпляров может исчис-
ляться десятками лет. Бактерии-симбионты находят в теле жи-
вотного защиту и возможность постоянно получать как субстрат,
так и кислород.
В зоне глубоК)ВОдПЬ1Х термальных источников обитает мол-
люск Calyptogena, в жабрах которого находятся симбиотиче-
ские бактерии. Симбиоз с бактериями обеспечивает существо-
вание литорально-о двухстворчатого моллюска Solemnia. Окис-
ляющие сероводород автотрофы, симбионты глубоководных жи-
вотных, относятся к эубактериям и эволюционно близки к груп-
пе кишечных бактерИп и псевдомонад.
Симбиотические бактерии имеет корабельный червь Teredo,
питающийся преимущественно целлюлозой. У корабельного чер-
вя Bankia setacea эндосимбиотические грамотрицательиые бак-
терии живут в мицетоцитах, находящихся в жабрах. Было уста-
новлено, что моллюск получает от бактерий синтезированные
ими аминокислоту у корабельных червей обнаружена способ-
ность к азотфиксаЦИИ| видимо, также связанная с активностью
симбиотических бактерий.
Известны немногие примеры симбиоза бактерий с червями,
однако некоторые из них небезразличны для человека. Так, Neo-
rickettsia helminth^eca может быть как облигатным внутрикле-
точным паразитом, так и симбионтом. Бактерия находится в сим-
биотических отношениях с трематодой Nanophyeius salmincola
и передастся чер;з яйца. Бактерия присутствует в стадиях
глиста, паразитируЮщИХ в улитках и лососевых рыбах. Поеда-
ние зараженных бактериями паразитов собаками приводит
к бурному развитию бактерий в клетках ретикулоэн-
дотелиальной систгмы собак, вызывая 90%-ную летальность.
Длительное время находиться в организме собаки бактерии не-
способны: собака либо погибает, либо выздоравливает, тогда
организм собаки освобождается от бактерий. В данном случае
собака — тупиковый и случайный хозяин, для существования
данного бактериального ВИда его заражение не имеет смысла.
Нс всегда характер взаимоотношений организмов следует рас-
сматривать как результат длительной адаптации в процессе сов-
местной эволюции.
Бактерии-симбионты обнаружены у представителей 13 из 17
исследованных отрЯдОВ морских губок классов Calcarea и Des-
mospongiae. Особе)1по часто в роли симбионтов губок высту-
пают нитчатые или одноклеточные цианобактерии, последние из
рода Aphanocapsa. Бактерии располагаются внутри клеток-баК'
164
териоиитов (цщыюцитов) или в межклеточном пространстве.
Цианобактерии развиваются только в освещенных частях тела
рубки. При этом губки, имеющие симбионты, хорошо растут на
свету, тогда как на губки, лишенные симбионтов, свет действует
угнетающе. Показано, что, губки используют продукты фотосин-
теза и азотфиксации цианобактерий.
Большое количество грамотрицательных бактерий неизвест-
ной систематической принадлежности содержится в тканях губ-
ки Verongia, бактерии передаются дочерним губкам, их масса
иногда достигает 33% массы хозяина.
Интересен пример совместного «разбоя» представителей двух
различных царств природы — бактерий и нематод. Родственные
кишечным бактериям представители рода Xenorhabdus являются
симбионтами различных видов нематод, патогенных для личи-
нок насекомых. X. luminescens живет в личинках нематоды
Heterorhabditis bacteriophora. На третьей стадии развития личи-
нок нематоды бактерии находятся в чистой культуре в замкну-
том пищеварительном тракте животного. Проникнув в тело на-
секомого через пищеварительный тракт или трахейную систему,
личинки нематоды внедряются в гемоцель. Бактерии выде-
ляются в гемолимфу и, быстро в ней размножаясь, через 1—•
3 сут приводят насекомого к гибели. В останках насекомого1
нематоды проходят последующие стадии развития, размножа-
ются и достигают инфекционной фазы. Мертвое насекомое со-
держит к этому времени множество нематод и светится от при-
сутствия массы бактериальных клеток. Бактерии X. luminescens
образуют антибиотическое вещество, препятствующее размно-
жению других бактерий, поэтому труп насекомого не гниет. Не-
матоды содержат бактерий в кишечнике и тоже светятся, хотя
слабее, чем труп насекомого, Предполагают, что свечение трупа
насекомого может привлекать насекомых или птиц, что способ-
ствует распространению паразитов. X. luminescens является об-
лигатным симбионтом или паразитом и свободно во внешней
среде существовать нс может.
ВЫЕДАНИЕ БАКТЕРИИ БЕСПОЗВОНОЧНЫМИ
Любые бактерии могут оказаться жертвами беспозвоночных,
которым они служат пищей. Бактерий поедают разнообразные
беспозвоночные животные — от амебы до моллюсков-фильтрато-
ров и клещей. Беспозвоночные выедают бактерий избиратель-
но, что может способствовать снижению численности одних ви-
дов и создавать предпосылки для интенсивного размножения
Других. Судьба заглоченных животными бактериальных клеток
Может быть различной. При наличии у животного соответствую-
щих гидролитических ферментов, разрушающих клеточные стен-
ки бактерий, последние перевариваются, но в противном случае
165
могут сохранять жизнеспособность, а иногда и интенсивно раз
множаться. Так, наблюдали интенсивное размножение видов]
Streptomyces, Vibrio и коринебактерий в кишечнике дождевого]
червя, бактерий рода Pseudomonas у изогюд и бибионид. j
Выедание почвенных бактерий беспозвоночными не может/
существенно повлиять на численность и активность этих бакте-1
риальпых популяций. Однако в/
кишечнике беспозвоночных спо-г
собны интенсивно размножаться!
некоторые быстрорастущие не-*
спороносные бактерии, в частно-
сти псевдомонады. Эти бактерии*
обладают высокой активностью'
эндогенного метаболизма и бы-i
стро отмирают при голодании.]
Способность к размножению в,;
кишечнике беспозвоночных по-
зволяет им поддерживать плот--
ность популяции на некотором!]
постоянном уровне и ие исчезать
совсем даже при отсутствии в ок-
ружающей среде подходящих для'
них ростовых субстратов.
В отношении водных экоси-'
стем известно, что выедание бес-
позвоночными является одной из
основных причин снижения чис-
ленности внесенных в них бак-
териальных клеток. Так, чис-
ленность клеток кишечной палоч-
ки, внесенных в воду эстуария,
за 10 дней снизилась с 10я до менее чем 10 кл/мл. В простери-
лизованной воде клетки кишечной палочки сохранялись, а до-
бавление к воде эстуария циклогексимида, антибиотика, изби-
рательно угнетающего эукариот, заметно снижало скорость ис-
чезновения бактерий (рис. 30).
5 3. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ БАКТЕРИЙ
с позвоночными животными
53
1----1-----J----' 1	—<
°	?	4	6 а	ю
время* су г
Рис. 30. Динамика численности
клеток Escherichia coli, внесенных
в воду эстуария (по: McCambrid-
ge, • McMeekin, 1980).
1 — иростерилизованиая пода. 2 — то же
с цнклогекенмндом. Л нестерилнзО’
ваииая пода с цкклогекенмидо.г. 4 —
нестсрилязовапнпя вола.
НОРМАЛЬНАЯ МИКРОФЛОРА ОРГАНИЗМА ПОЗВОНОЧНЫХ
Тело более или менее крупного животного представляет для
бактерий целый мир с множеством экологических ниш. В есте-
ственных условиях организм любого животного населен множе-
ством бактерий. Среди них могут быть случайные, формы, по
для многих видов тело животного является основным или един-
ственным местом их обитания. Характер и механизмы взаимо-
действий микроорганизмов с макроорганизмом многообразны и
.166
играют решающую роль в жизни и эволюции многих видов бак-
терий. Для животного бактерии также важный экологический
..фактор, определяющий многие стороны его эволюционных изме-
нений.
Только некоторые беспозвоночные не могут существовать без
бактерий. Организм позвоночных животных всегда населен раз-
нообразными бактериями, но можно искусственно получить
экземпляры животных, лишенные микроорганизмов. Получены
подобные мыши, куры, свиньи и др. Заражая их определенными
микроорганизмами, получают гнотобиотов— животных, содер-
жащих известную микрофлору. Животные, лишенные бактерий,
нормально растут и размножаются, если получают полноцен-
ную пищу. Они, однако; оказываются в положении марсиан
Герберта Уэллса, если сталкиваются с бактериями. У них не
функционируют нормально системы иммунитета, и они могут
погибнуть от бактерий, совершенно безопасных для обычных
организмов. Во многих случаях нормальное питание макроорга-
низма также не может осуществляться без помощи бактерий.
Между бактериями и микроорганизмом иногда складываются
взаимоотношения, которые можно охарактеризовать как коммен-
сализм, симбиоз, паразитизм, нередко напоминающий хищниче-
ство.
Бактерии, населяющие организм животного, питающиеся за
его счет и не приносящие ему очевидной пользы или вреда,
обычно называют комменсалами, хотя отсутствие всякого их
влияния на организм хозяина мало реально.
Микроорганизмы, населяющие организм здоровою живот-
ного. образуют его нормальную микрофлору. По вполне понят-
ным причинам лучше всего изучена нормальная микрофлора
человека.
Кожный покров человеческого тела имеет свои области, свой
рельеф, свою «географию». Клетки эпидермиса кожи постоянно
отмирают и пластинки рогового слоя сшелушиваются. Поверх-
ность кожи постоянно «удобряется» продуктами выделения
сальных и потовых желез. Потовые железы обеспечивают бак-
терии солями и органическими соединениями, в том числе азот-
содержащими. Выделения сальных желез богаты жирами.
Потовых желез очень много на подошвах ног, на ладонях, в
подмышечных впадинах их более 300/см2, и гораздо меньше па
спине—менее 100/см2. Микроорганизмы заселяют главным обра-
зом участки кожи, покрытые волосами и увлажненные потом.
В области подмышек обитает более 105—10й клеток бакте-
рий/см2. Па участках кожи, покрытых волосами, находится око-
ло 1,5-10й клеток/см2, и всего несколько сотен бактерий живет
на 1 см2 кожи спины. Некоторые виды приурочены к строго
определенным участкам, например условный патоген Staphylo-
coccus aureus, если заселяет кожу, то обнаруживается чаще
всего в ноздрях и подмышками.
167
Обычно на коже преобладают грамположительные бактерии.
Некоторые дезодоранты содержат угнетающие грамположитель-
ные бактерии антибиотики, и после их применения временно мо-
гут доминировать грамотрицательныс формы. Типичными оби-
тателями кожи являются' различные виды Staphylococcus, Mic-
rococcus, Propionibacterium, Corynebacterium, Brevibacterium,
Acinctobacter.
Для нормальной микрофлоры кожи характерны такие виды
Staphylococcus, как St. hominis и St. epidertnidis, но не упо-
мянутый St. aureus, развитие которого здесь свидетельствует
о неблагоприятных изменениях микрофлоры организма. Пред-
ставители рода Corynebacterium иногда составляют до 70%
всей кожной микрофлоры. Некоторые виды являются липофиль-
ными, т. е. образуют липазы, разрушающие выделения жиро-
вых желез. Стерильный пот не имеет запаха, запах поту при-
дают продукты метаболизма бактерий, и прежде всего форм
Corynebacterium.
Для кожной микрофлоры мог характерно наличие большого
числа клеток Brevibacterium, которые в ходе усвоения серусо-
держащих аминокислот, присутствующих на коже, образуют газ
метантнол (CH3SH), имеющий специфический запах.
Большинство бактерий, населяющих кожу, не представляют
какой-либо опасности для хозяина, но некоторые, и прежде
всего St. aureus, условно патогенны.
Нарушение нормального сообщества бактерий кожи может
иметь неблагоприятные последствия для макроорганизма.
Кишечный тракт животных — обычное место обитания раз-
нообразных бактерий, преимущественно анаэробных. Характер
взаимоотношений этих бактерий с хозяином может быть раз-
личным и в первую очередь зависит от особенностей его пи-
тания.
В кишечном тракте хищных или насекомоядных находится
пища, по своему биохимическому составу близкая к составу их
тела. Она является также прекрасным субстратом для разви-
тия бактерий. Поэтому здесь складываются конкурентные вза-
имоотношения бактерий с .хозяином. Последний не может пол-
ностью исключить возможность их развития, по ограничивает
его благодаря секреции кислоты и быстром}' пищеварению, в ре-
зультате чего почти все продукты деятельности пищеваритель-
ных ферментов потребляются животным. Более медленное про-
хождение ниши через толстый кишечник способствует бурному
развитию бактерий, и в задней кишке уже содержится огром-
ное их количество.
В кишечник травоядных попадает большое количество клет-
чатки. Известно, что только некоторые беспозвоночные могут пе-
реваривать клетчатку самостоятельно. В большинстве случаев
переваривание целлюлозы происходит за счет разрушения ее
бактериями, а животное потребляет в качестве пищи продукты
168
ее деградации и сами клетки микроорганизмов. Таким образом,
здесь наблюдается кооперация, или симбиоз. Наибольшего со-
вершенства этот тип взаимодействий достиг у жвачных живот-
нь1Х. В их рубце пища задерживается достаточно долго, чтобы
могли быть разрушены доступные микроорганизмам компоненты
растительных волокон. В этом случае, однако, бактерии исполь-
зуют значительную часть растительного белка, который в прин-
ципе мог бы быть разрушен и использован самим животным.
Однако у многих животных взаимодействие с кишечной мик-
рофлорой носит промежуточный характер. Например, у лоша-
дей, кроликов, мышей в кишечнике пища в значительной сте-
пени используется до того, как начнется бурное развитие бак-
терий. Однако в отличие от хищников, у таких животных пища
дольше задерживается в кишечнике, что способствует се сбра-
живанию бактериями.
Наиболее активная жизнедеятельность бактерий всегда про-
исходит в задней кишке. Анаэробы здесь развиваются, осущест-
вляя брожения, при которых образуются органические кисло-
ты— преимущественно уксусная, пропионовая и масляная. При
ограниченном поступлении углеводов образование этих кислот
энергетически выгоднее, чем образование этанола и молочной
кислоты. Происходящее здесь же разрушение белков приводит
к снижению кислотности среды. Накапливающиеся кислоты мо-
гут быть использованы животным. Поскольку богатая ценным
белком масса бактерий выносится из организма, понятна склон-
ность некоторых животных к копрофагии.
Содержимое кишечника — благоприятная среда обитания
бактерий. Однако здесь действует и ряд неблагоприятных фак-
торов, способствующих адаптации и специализации кишечных
микроорганизмов. Так, в толстом кишечнике накапливаются
желчные кислоты до концентраций, уже угнетающих рост неко-
торых бактерий. Масляная и уксусная кислоты также обладают
бактерицидными свойствами.
В состав кишечной микрофлоры различных животных вхо-
дит ряд видов бактерий, способных разрушать целлюлозу, геми-
целлюлозы, пектины. У многих млекопитающих в кишечнике
обитают представители родов Bacteroides и Ruminococcus.
В. suceinogenes был обнаружен в кишечнике людей, лошадей,
коров, баранов, антилоп, крыс, обезьян. R. albus и R. flavefaciens,
активно разрушающие клетчатку, обитают в кишечнике людей,
Лошадей, короз, кроликов. К сбраживающим клетчатку кишеч-
ным бактериям относятся также Butyrivibrio fibrisolvens и
Eubacterium cellulosolvens. Роды Bacteroides и Eubaclerium
Представлены в кишечнике млекопитающих рядом видов, неко-
торыс из которых разрушают также белковые субстраты.
В составе кишечной микрофлоры разных животных обнару-
живаются характерные различия. Так, у собак относительно
•Много стрептококков и клостридиев. В составе нормальной мик-
169-
рофлоры кишечника человека насчитывается до СО видов бак,
терпи. Здесь преобладают песпорообразующие анаэробы, в то^
числе представители рода Bifidobacterium, которым приписы-
вают благоприятное влияние на организм хозяина благодаря
образованию витаминов и антибиотиков. Для кишечной микро-
флоры человека характерны стрептококки и кишечная палочка.
В фекалиях количество E.coli составляет около 10s клеток/г при
обшем содержании бактерий около 10" клеток/г. Таким обра-
зом, кишечная палочка отнюдь не является доминирующим в
кишечнике видом. Некоторые формы бактерий встречаются в
составе кишечной микрофлоры постоянно, другие спорадически.
В кишечнике, рубце жвачных животных и других органах
представители нормальной микрофлоры распределены опреде-
ленным образом. Часть форм приурочена к поверхности клеток,
другие находятся на некотором удалении от ткани. Состав при-
крепленных форм может изменяться при ослаблении пли забо-
левании хозяина, и даже при стрессе. При нервных стрессах
у человека, например, за счет активизации протеаз происходит
разрушение белка на поверхности глоточного эпителия, что поз-
воляет прикрепляться клеткам условно патогенной бактерии
Pseudomonas aeruginosa, которые начинают здесь активно раз-
множаться вместо безвредных представителен нормальной мик-
рофлоры. Образовавшаяся популяция Ps. aeruginosa в дальней-
шем может вызвать поражение легких.
Нарушение нормального состава кишечной микрофлоры оп-
ределяется как дисбактериоз. Высокая частота кишечных рас-
стройств у младенцев, которых лечат антибиотиками, отчасти
объясняется отсутствием у них бактерий, обычно покрывающих
слизистую и защищающих ее поверхностные рецепторы. К сво-
бодным рецепторам клеток прикрепляются, а затем здесь раз-
множаются патогенные формы.
Представители нормальной микрофлоры, обитающие на по-
верхности тканей, должны быть устойчивыми к снизанным с тка-
нями антителам и поверхностно активным соединениям, содер;
жащпмея в моющих средствах. Это создает предпосылки для их
перехода к патогенности. Нередко представители нормальной
микрофлоры, не приносящие вреда при развитии в обычных для
них участках организма, превращаемся в паразитов, если им
удается проникнуть в некоторые другие ткани. Так происходит,
например, у человека при проникновении фекальной микрофло-
ры в мочеполовой тракт. Анаэробная бактерия Eusobacterium
necrophorus — представитель нормальной микрофлоры рубца
жвачных животных — обычно прикрепляется к его стенке. Це-
лостность стенки может быть нарушена, это часто происходит
при накоплении в рубце слишком большого количества кислот
при сбраживании корма, содержащего очень много легкодо-
ступных субстратов брожений. В этом случае бактерия попадает
170
н печень, где размножается и вызывает некротическое воспале-
ние этого органа.
Проникновение представителей нормальной микрофлоры в
несвойственные для их обитания участки организма особенно
часто наблюдается при ослаблении иммунной системы в резуль-
тате хронических заболеваний, ожогов, травм и т. и.
Таким образом, состав бактерий, формирующих нормальную
микрофлору организма животного, не может быть случайным.
Представители нормальной микрофлоры обладают механизма-
ми, нейтрализующими до некоторой степени защитные системы
организма хозяина, что и позволяет им иногда переходить к па-
разитизму. Однако развитие нормальной микрофлоры регули-
руется и ограничивается хозяином. Более совершенные и специ-
фические механизмы, регулирующие развитие бактерий, наблю-
даются при симбиотических взаимодействиях.
СИМБИОЗЫ СВЕТЯЩИХСЯ БАКТЕРИИ
В кишечнике многих морских животных, прежде всего рыб,
развиваются светящиеся бактерии. Все светящиеся бактерии об-
наруживают хитиназную активность и, видимо, в кишечнике
• осуществляют разрушение этого полимера, не атакуемого фер-
ментами хозяина. Тем самым они способствуют более полному
использованию пищи хозяином. Из кишечника светящиеся бак-
терии попадают в воду. Отдельные клетки бактерий не све-
тятся, так как для свечения необходимо накопление в окру-
жающей среде в достаточной концентрации автоиндуктора, вы-
деляемого в среду самими бактериями. Лвтоиндуктор накапли-
вается в достаточном количестве, если концентрация клеток бак-
терий достигает t107—108/мл. Это, видимо, имеет приспособи-
тельное значение' Свечения отдельных бактериальных клеток
никто не мог бы заметить. Светящиеся скопления бактерий на
остатках фекалий и на частицах детрита привлекают рыб и
других животных, которыми и поедаются. Таким образом бак-
терии попадают в кишечник, являющийся для .них основной эко-
логической нишей.
Светящиеся бактерии могут входить в симбиотические си-
стемы иного характера, нс связанные с пищеварением и иногда
высокоспециализироваппыс. Эти бактерии обнаруживаются в
специальных светящихся органах, фотофорах, некоторых голово-
ногих моллюсков и морских, преимущественно глубоководных,
рыб. К настоящему времени светящиеся бактерии-симбионты
обнаружены у 50 видов, представляющих 30 родов 11 семейств.
Светящиеся бактерии населяют специальные органы — бакте-
риофотофоры (рис. 31). Строение фотофоров и их расположение
на теле хозяина может сильно варьировать.
Бактериофотофор представляет собой полый орган эктодер-
мального происхождения, соединенный выводным протоком
171
с внешней средой непосредственно или через кишечный тракт.
Функциональная ткань органа собрана в крипты, чрезвычайно
напоминающие кишечные. Крипты разделены щелями или ка.
нальцамн, их поверхность выстлана однорядным эпителием,
клетки которого обнаруживают интенсивную секреторную актив-
Рис. 31. Общая схема строения фотофора с симбиотическими бакте-
риями (по; Гительзон и др., 1984).
/ — экранирующая ткань, 2 — соединительная ткань, 3 — светоотражающая
ткань; 4 — полость фотофора, содержащая слушнншмсся эпителиальные клет-
ки и бактерии. 5 — выводной проток фотофора, б — светонроводящая ткань,
7 — систофокуснрующаи^ и светофильтрующая ткань. 6'— капиллярная сеть в
• складках эпителия, 9- бактерии в световых тр*бках. 10 — выстилающий све-
товые трубки эпителий, //—артерия. /У—йена.
ность. Слущивающиеся вакуолизированные эпителиальные
клетки, их обломки и отдельные везикулы, заполненные секре-
том, попадают в полость фотофора, где перемешиваются с мас-
сой светящихся бактерий. Клетки светящихся бактерий состав-
ляют значительную часть массы фотофора.
Состав веществ, экскретируемых в полость фотофора, неиз-
вестен, но, очевидно, они поддерживают жизнедеятельность бак-
терий и регулируют их метаболизм.
172
Полость фотофора обязательно сообщается с окружающей
средой через проток, который служит для удаления продуктов
метаболизма бактерий и отмерших клеток. Через этот же про-
ток, видимо, происходит инокуляция органа бактериями.
Под базальной мембраной эпителия расположен соедини-
тельнотканный слой, пронизанный развитой сосудистой сетью.
Свечение бактерий происходит только в присутствии молеку-
лярного кислорода, который поступает из крови рыбы, причем,
изменяя тонус сосудов, она имеет возможность регулировать
интенсивность свечения.
Фотофор снабжен светорегулирующими и светораспредели-
тельными устройствами, достигающими иногда удивительной
сложности и совершенства.
Фотогенная ткань подстилается слоем отражающих свет кри-
сталлов гуанидина, за которыми следует слой интенсивно пиг-
ментированных клеток, поглощающих рассеянный свет. Про-
зрачная ткань образует фокусирующую линзу, направляющую
свет в нужном направлении. Иногда эта ткань окрашена и тогда
служит светофильтром.
Фотофор может быть снабжен световодами различного строе-
ния и происхождения, а также мышцами, поворачивающими его,
и структурами, напоминающими веко человеческого глаза.
Фотогенные органы на основе симбиоза с бактериями воз-
никали в эволюции, по всей видимости, неоднократно, и их сход-
ство у представителей различных таксонов рыб отражает кон-
вергентную эволюцию. В фотофорах рыб обитают светящиеся
бактерии различного систематического положения, но у пред-
ставителей одного вида рыб это обычно представители одного
вида бактерий, хотя бактерии, полученные из разных экземпля-
ров, могут иметь различия на уровне штаммовых. При этом в
фотофорах одной рыбы, как правило, развивается один штамм,
посторонние бактерии и мутантные клетки здесь не обнаружи-
ваются. Поскольку фотофоры часто сообщаются с кишечником,
содержащим разнообразные бактерии, приходится предположить
существование механизмов, ограничивающих развитие в фото-
форс нежелательных бактерий, хотя природа подобных меха-
низмов еще совершенно непонятна.
Бактерии находятся в фотофоре в активном состоянии, прак-
тически все клетки жизнеспособны. Часть клеток постоянно вы-
носится из фотофора, который представляет, таким образом,
проточный культиватор. Плотность бактерий в нем поддержи-
вается па уровне 109—1011 клеток/мл; несомненно, что для этого
существуют определенные механизмы. Для некоторых симбио-
тических систем, в образовании которых участвуют бактерии,
относящиеся к видам Photobacterium leiognathi, Ph. phospho-
reum, Ph. hischeri, предполагают функционирование регулятор-
ного механизма с участием пирувата. Из крови хозяина бакте-
рии получают необходимый им кислород и глюкозу, которую
173
они метаболизируют с образованием пирувата. Пируват окисля.
ется митохондриями, которые содержатся в изобилии в клетка*
выстилающего культиватор эпителия. При этом митохондр^
«перехватывают» кислород; чем интенсивнее бактерии размно.
жаются, тем больше они образуют пирувата, тем меньше в
культиватор поступает кислорода. Кроме того, в результате на.
копления пирувата снижается значение pH в культиваторе, что
также неблагоприятно для бактерий. Замедление размножения
бактерий приводит к обратным эффектам.
Многие светящиеся бактерии, обитающие в фотофорах рыб
легко культивировать на питательных средах; в некоторых слу’
чаях, однако, такое культивирование не удастся. Возможно,
это связано с различной степенью специализации бактерий к су.
шествованию в симбиозе. Но крайней мере клетки некоторых
видов, обнаруживаемые в фотофорах, в большом числе, присут-
ствуют в свободном состоянии в морской воде, па поверхности
морских животных и особенно в их кишечниках.
Преимущества, которые получают бактерии, развиваясь я
фотофорах, очевидны. Биологический смысл симбиоза для рыб
пока непонятен. Предполагают, что свечение может использо-
ваться для маскировки, приманивания жертв, коммуникации
между особями одного вида, для освещения близлежащего про-
странства. Очевидно, во всяком случае, что столь сложные ор-
ганы не могли бы возникнуть в эволюции, если бы не давали
организмам существенных селективных преимуществ.
Именно у светящихся бактерий — симбионтов рыб — описан
единственный известный пока случай передачи гена от эукарио-
та прокариоту. Бактерии вида Photobacterium leiognathi насе-
ляют светящийся орган ерсбробрюшковых рыб (Leiognathidae)..
В отличие от всех других исследованных в этом отношении
бактерий они содержат, кроме обычной для прокариот Fe-cy-
пероксиддисмутазы (о значении этого фермента говорилось в
гл. 2), также Cu-Zn-супероксиддисмутазу, характерную для
эукариот и, в частности, для рыб. По аминокислотной последо-
вательности и физико-химическим свойствам этот фермент дей-
ствительно оказался весьма сходным с эукариотическим. Ген,
определяющий синтез этого дополнительного фермента, бакте-
рии, по всей вероятности, получили от своего хозяина.
БАКТЕРИИ-ПАРАЗИТЫ
Представители нормальной микрофлоры организма живот-
ного весьма широко распространены, и многие из них процве-
тают. Однако в сообществах подобного рода имеет место жест-
кая конкуренция, ограничивающая размножение, например, при
развитии бактерий в кишечнике. В других случаях, например
на поверхности тела животного, бактерии сталкиваются еще и
с недостатком пищи. Значительные преимущества в конкурент-
174
ной борьбе микроорганизм получает в случае его перехода
паразитизму, когда происходит резкое расширение простран-
ственных и пищевых его возможностей. Паразитами, или пато-
генными, называют бактерии, существующие за счет организма
хозяина и приносящие ему вред. Некоторые из патогенных бак-
терий, по существу, являются хищниками, например, некоторые
риды Clostridium, которые убивают свою жертву и затем исполь-
зуют ее в качестве пищи. Патогенные бактерии вызывают ин-
фекционные болезни, мера патогенности определяется как ви-
рулентность.
Патогенность — свойство, определяемое генетически, хотя
возможность его проявления может зависеть от многих условий.
Известны облигатно паразитические бактерии, т. е. сущест-
вующие только как паразиты. Это, например, возбудитель про-
казы Mycobacterium leprae, возбудитель сифилиса Treponema
pallidum. Наиболее специализированы облигатные внутрикле-
точные паразиты — риксттсии и хламидии. Однако очень мно-
гие бактерии способны существовать как сапрофиты или ком-
менсалы, но переходят к паразитизму в благоприятных для
этого условиях, обычно когда организм хозяина ослаблен. Это
условно патогенные бактерии, в последнее время их стали на-
зывать оппортунистами (лат,- opportunus— удобный, выгодный).
Способность к паразитизму определяется наличием у бакте-
рии ряда свойств, которые определяют как факторы патоген-
ности.
Среди факторов патогенности можно выделить ряд групп в
зависимости от направленности их действия.
Во-первых, это факторы, способствующие проникновению
бактерий в тело жертвы в результате разрушения субстратов,
препятствующих такому проникновению. Во-вторых, это фак-
торы, позволяющие бактерии преодолеть воздействие иммунных
систем организма, в частности факторы защиты от фагоцитоза.
В третью группу входят факторы патогенности с токсической
функцией. У многих бактерий в качестве факторов патогенности
выступают также адгезнны, определяющие способность бактерий
прикрепляться к клеткам и тканям хозяина, и структуры, обла-
дающие молекулярным сходством с макромолекулами хозяина,
ответственные за иммунологическую мимикрию бактерий. Важ-
ное значение могут иметь системы транспорта железа, обеспечи-
вающие бактериям возможность потребления железа, связан-
ного в организме хозяина с определенными белками.
Проникновение в ткани хозяина — важное для успешного
развития многих патогенных форм условие. Они должны пре-
одолеть барьеры слизистых оболочек и тканей. В состав слизи-
стой входят мукополисахариды, содержащие гиалуроновую и
хондроитипсерную кислоты и гепарин. В состав секретов слизи-
стой и тканей также входят гликопротеины, богатые сиаловыми
кислотами (N-ацетилнсйрамиповая кислота). Многие возбуди-
175.
тели инфекций вырабатывают ферменты, разрушающие пере
численные соединения, — это гиалуронидаза, образуемая, напри
мер, стафиллококками, стрептококками, Cl. perfringens и др
Гиалуронидаза вызывает распад гиалуроновой кислоты до глю
козамина и глюкуроновой кислоты.
Возбудители холеры, дифтерии и многие другие бактерии вы.
рабатывают нейраминидазу, разрушающую сиаловые кислоты,
Патогенные формы кишечной палочки, некоторые стафило’
кокки и другие бактерии вырабатывают цитолизины, вызываю,
щие лизис клеток хозяина. Поскольку обычно наблюдают в пер.
вую очередь лизис эритроцитов, принято говорить о гемолити-
ческой активности таких бактерий. Молекулярная масса стафц.
лококкового а-лизина 34 000. При контакте с клеткой-мишенью
он формирует в мембране клетки гсксамериую структуру моле-
кулярной массой 200 000 с норой в центре. Аналогичным обрд.
-зом действует и стрептолизин О, вырабатываемый а-гемолити-
ческими стрептококками. Этот цитолизин с молекулярной мас-
сой 69 000 состоит из 20—80 мономеров, а для формирова-
ния поры в мембране клетки-мишени необходима фиксация на
ней пе менее двух молекул стрептолизина. Подобные белки вы-
рабатывает также, видимо, Ps. aeruginosa. Через норы, образо-
ванные цитолизинами, вытекает содержимое клетки, что и при-
водит к ее гибели.
Известно, что ферменты, обеспечивающие проникновение па-
тогенных форм в организм хозяина и распространение в нем,
встречаются и у сапрофитных бактерий, где служат для разру-
шения и использования мертвого органического субстрата. По-
этому грань между сапрофитами и паразитами не является
четкой.
Защита от фагоцитоза в основном определяется поверхност-
ными структурами бактериальной клетки. У В. anthracis и пнев-
мококков это капсула, у стафилококков — белок А, у стрепто-
кокков группы А — белок М. У Ps. aeruginosa антифагоцитар-
ным действием обладает образуемая бактериями диффузная
слизь полисахаридной природы.
Важным элементом защитных сил макроорганизма являются
связанные с поверхностью клеток IgA — антитела. Виды Hae-
mophilus и Streptococcus синтезируют IgA-специфические про-
теазы, разрушающие эти белки.
Обильная слизь, капсульная или диффузная, образуемая
многими патогенными бактериями, связывает антитела, анти-
биотики и другие молекулы, защищая клетки бактерий. Иногда
заключенные в слизь бактерии мало активны, но могут долго со-
храняться в организме.
К числу наиболее специализированных и эффективных фак-
торов патогенности следует отнести белковые токсины, выра-
батываемые некоторыми бактериями, прежде всего это ботули-
нический, столбнячный, холерный и дифтерийный токсины.
176
Рис. 32. Двухкомпопептпость су-
пермолекул холерного (а) и боту-
линического {б) токсинов (по:
Румянцев, 1984).
/ — абордажные и 2 — поражающие
белковые субъединицы.
Одной молекулы дифтерийного токсина, проникшей в чувстви-
тельную клетку, достаточно, чтобы се убить.
Изучение бактериальных белковых токсинов позволило обна-
ружить удивительно сложные и
совершенные молекулярные ме-
ханизмы их действия. Хотя адап-
тационное значение для пара-
зита выработки токсина пред-
ставляется очевидным, трудно
представить себе, как в процессе
эволюции могло идти формирова-
ние подобных специализирован-
ных молекул. Бактериальные ток-
сины интересны как пример су-
ществования у бактерий сложных
адаптационных механизмов на
молекулярном уровне.
Бактериальные белковые ток-
сины имеют сложное строение
и состоят из двух функциональ-
но различных компонентов (рис.
32). Функцией внешнего компонента является адсорбция
на поверхности животной клетки-мишени. Рецепторами для
столбнячного, ботулинического, холерного и ряда других токси-
нов служат ганглиозиды клеточных мембран, которые представ-
ляют собой гликолипиды, у разных клеток несколько различаю-
щиеся структурой молекул. Их липидный компонент — цера-
мид — соединен с углеводами и через них — с радикалами сиа-
ловой (нейраминовой) кислоты (рис. 33). Рецепторами данного
бактериального токсина могут быть лишь определенные гангли-
озиды (рис. 33). От наличия таких специфических для данного
токсина рецепторов зависит чувствительность к нему клеток кон-
кретного организма. Так, рецептором для столбнячного токсина
служат ди-, три- и тетрасналгаиглиозпды. Ботулинический ток-
син типа Л наиболее интенсивно реагирует с трисиалганглиози-
дом. Центральный элемент белковых токсических комплексов
сам по себе не способен ренептироваться клеткой, по после вза-
имодействия внешней рецепторной части токсина с клеточными
рецепторами он проникает внутрь клетки, где и осуществляются
реакции, определяющие токсический эффект (рис. 34). Холер-
ный токсин нарушает функцию внутриклеточной адепилатцикла-
зы. Дифтерийный токсин разрушает никотинамидадеииндину-
клеотид, образующиеся продукты блокируют ферменты, участ-
вующие в белковом синтезе.
Возбудители холеры или дифтерии почти никогда не прони-
кают в клетки и ткани хозяина. Они лишь прикрепляются
к клеткам эпителия слизистой оболочки пищеварительного
тракта. Однако, размножаясь на поверхности эпителиальных
12 Заказ № 164
177
Ряс. 33. Зависимость активности холерного (а), ботулини-
ческого (б) и столбнячного (е) токсинов от наличия в
клетках ганглиозидов (1—7), различающихся строением
углеводной цепочки (по: Румянцев, 1984).
1 — церамид, 11 — лактоза, 111 — галактозамин-ацетил, IV — галак-
тоза, V —сиаловая кислота.
Рис. 34. Этапы взаимодействия холерного токсина (а) с клеточ-
ной мембраной (б) (по: Румянцев, 1984).
/—сближение с мишенью, 2 — снизывание внешних элементов токсина
с клеточными рецепторами, 3 — проникновение эффектора через .мембрану.
клеток, они выделяют токсины, обусловливающие нс только ги-
бель. этих клеток, но и омертвление всех подлежащих тканей,
и даже тканей, расположенных на значительном расстоянии от
места прикрепления бактерий.
Холерный токсин нарушает функцию адснилатциклазы, что
приводит к резкому повышению проницаемости клеточной мем-
браны. Это нарушение функции кишечного эпителия приводит
к интенсивному выходу из кишечника воды. В результате ненре-
краща-юшейся диареи (поноса) кишечная микрофлора, конку-
рирующая с вибрионами, выносится из кишечника и вместе
с ней многочисленное потомство интенсивно размножающихся
178
вибрионов, что способствует распространению вида. Заболева-
ние холерой часто приводит к летальному исходу, однако это
для вибриона невыгодно, так как его развитие происходит толь-
ко в кишечнике живого человека, т. е. он действительно явля-
ется паразитом, а не .хищником.
Иначе обстоит дело в случае токсинообразующих Clostri-
dium. Их токсины, в том числе нейротоксины, предназначены
для убийства хозяина. Последовательность действии у бакте-
рий, однако, иная, чем у хищников-животных. Последние сна-
чала убивают жертву, и только затем происходит дезинтегра-
ция ее органов и клеток и использование их хищником. Хищ-
ники-бактерии сначала атакуют клетки и ткани, и только в ре-
зультате этой атаки происходит гибель жертвы. У подобных
бактерий, однако, атака направлена именно на убийство жерт-
вы нм нужен труп.
Возбудитель столбняка образует экзотоксины: тетаноспаз-
мин, поражающий клетки нервной ткани и вызывающий спаз-
матическое сокращение мышц, и тетанолизин, растворяющий
эритроциты. В 1 мг кристаллического столбнячного токсина со-
держится несколько миллионов смертельных мышиных доз. Дей-
ствие токсина, вызывающее асфиксию и поражение жизненно
важных центров организма, приводит к смерти. В период с 1951
по 1960 г. ио данным ВОЗ от столбняка погибло около
500 000 человек.
Токсин возбудителя ботулизма блокирует передачу нервного
импульса через нервно-мышечные синапсы. Ботулинический ток-
син в отличие от столбнячного устойчив к действию желудоч-
ного сока и всасывается неизменным, а разновидность его —
токсин типа Е, даже активируется трипсином, в результате чего
биологическая активность последнего возрастает во много раз.
В 1 мг очищенного токсина возбудителя ботулизма типа А со-
держится 10—100 млн смертельных доз для белой мыши. Сила
действия этого токсина намного выше, чем у всех известных
биологических ядов.
Кроме токсинов хищные клостридии образуют ферменты, раз-
рушающие ткани хозяина, и в разлагающемся теле происходит
бурное размножение этих бактерий. В период войны было обна-
ружено, что даже в зимнее время в разорванных взрывами тру-
пах клостридии успевали значительно размножиться.
Газовая гангрена обусловлена действием нескольких видов
Clostridium, в том числе Cl. perfringens. Эта бактерия продуци-
рует комплекс токсинов и ферментов, вызывающих быстрый
распад .мышечной ткани. Разрушение оболочек эритроцитов при-
водит к гемолизу. Смерть наступает в результате асфиксии и
поражения нервных центров. Один из его токсинов подавляет
активность фагоцитов, кроме того, его ДНКаза специфически
действует па ДНК фагоцитов, также подавляя их функции. Лс-
]2*
179
цитиназа, выделяемая этой бактерией, обусловливает разруше-
ние стенок сосудов и выход плазмы крови в ткани, что приво-
дит к отеку.
Специфические п совершенные адаптации к паразитированию
обнаружены у рикеттсий и хламидий — облигатных внутрикле-
точных паразитов. Например, рикеттсии ие только нс защищены
от фагоцитоза специализированными клетками хозяина, но даже
стимулируют его. Но, попав в фагосомы, они переходят из них
в цитоплазму прежде, чем образуются лизосомы. Решающую
роль в этих процессах играет способность рикеттсий воздейство-
вать па мембрану клеток хозяина, хотя молекулярные меха-
низмы этих воздействий пока нс установлены. Рикеттсии могут
сами синтезировать белки и липиды, но интенсивность этих про-
цессов в их клетках невелика, и большинство макромолекул они
получают из цитоплазмы клетки хозяина. Рикеттсии обладают
собственным энергетическим метаболизмом, причем метаболизм
глюкозы для них ие имеет значения, энергетические субстра-
ты пируват, глутамин и, особенно, глутамат — они получают
от хозяина. В энергетическом метаболизме участвуют ферменты
цикла трикарбоновых кислот, по АМФ или АДФ бактерия дол-
жна получать от хозяина. Для переноса АТФ, АДФ и АМФ
клетки имеют специфические транспортные системы. Бактерии
используют энергию хозяйского АТФ или АТФ, синтезирован-
ного ими из полученных от хозяина АМФ и АДФ.
Энергетическая зависимость от хозяина в еще большей сте-
пени выражена у хламидий, которые нс обладают собственным
энергетическим метаболизмом и являются энергетическими па-
разитами. Они неспособны синтезировать АТФ, но зато обла-
дают эффективными системами транспорта АТФ внутрь клетки
и АДФ из клетки в цитоплазму хозяина. Эти транспортные си-
стемы очень сходны с митохондриальными, но хламидии явля-
ются как бы митохондриями, вывернутыми наизнанку.
Специфичность паразитизма патогенных бактерий может
быть различной. Факторы патогенности обычно специализиро-
ваны в отношении взаимодействия с организмом ограниченного
числа близкородственных видов животных. Существуют высоко
специализированные паразиты. Например, гонорея — сугубо че-
ловеческое заболевание, животных даже искусственно нельзя
заразить гонококками.
До недавнего времени высокоспециализированным и пора-
жающим только человека считался возбудитель проказы, но ока-
залось, что проказой могут болеть броненосцы. Многие бакте-
рии, в том числе Bacillus thuringicnsis, виды Rickettsiella, пора-
жают только некоторых насекомых, но совершенно безвредны
для позвоночных. Подобных примеров можно было бы привести
довольно много. Вместе с тем существует немало бактерий, ко-
торые способны вызывать заболевания особей разнообразных н
даже совершенно неродственных видов. Например, Yersinia pes~
1«0
^ — возбудитель чумы — развивается в организме блох, раз-
ных грызунов (более 300 видов), верблюдов и людей.
Причины специфичности паразитических бактерий могут
быть разными и к настоящему времени далеко не полностью
выяснены. Очевидно, что большое значение здесь имеет соответ-
ствие молекулярной организации ряда структур бактерий и хо-
зяев. Для осуществления взаимодействия бактерий или их мета-
болитов с клетками хозяина важно наличие определенных ре-
цепторов. Например, гонококки, которые, как уже было отме-
чено, развиваются только в организме человека, сорбируются
только на эритроцитах человека, но нс других животных.
Иногда аналогичное значение имеет пригодность в качестве
пищи для патогена определенных веществ хозяина. 'Гак, чум-
ные микробы для своих биосинтетических нужд ассимилируют
некоторые структуры эритроцитов, а также глобулиновую и без-
белковую фракции крови. Однако указанные ингредиенты дол-
жны быть взяты из крови высокочувствительных к чуме видов,
например человека или морской свинки, но не овцы, кролика,
лошади или собаки, которые устойчивы к данной инфекции.
Сведения о бактериях — паразитах простейших — весьма
ограничены, однако они, как оказывается, могут быть весьма не
безразличны человеку. Так, высказывается хорошо аргументи-
рованное предположение о том, что бактерии рода Legionella
являются обычными в природе паразитами амеб, в клетках ко-
торых могут накапливаться в значительном количестве. Имея
весьма сложные пищевые потребности, они вместе с тем не яв-
ляются облигатными паразитами и развиваются как сапрофиты
в ассоциациях с цианобактериями или другими водными микро-
организмами. Попадая в организм человека, они могут вызы-
вать весьма тяжелые заболевания, часто заканчивающиеся
смертью. В естественных условиях легионеллы накапливаются
в водной среде — в разного рода прудах и лужах, а также в
увлажнителях систем кондиционирования воздуха и даже в не-
больших скоплениях влаги в душевых устройствах. Заражение
человека этими бактериями случайность. Существование легио-
неллезов у человека свидетельствует против, казалось бы, оче-
видного предположения о том, что для паразитизма в организме
человека нужны более совершенные механизмы патогенности,
чем для паразитизма в организме амебы. Правда, легионеллы
не обладают механизмами, которые обеспечивали бы их пере-
дачу от человека человеку, но факторы, позволяющие преодо-
левать защиту животной клетки как таковой, видимо, являются
общими для клеток организмов весьма разного уровня.
Известны разнообразные бактерии — паразиты беспозвоноч-
ных. Эпизоотии средн хозяйственно ценных ракообразных и мол-
люсков приносят существенный экономический ущерб.
В соответствии с представлениями, развиваемыми в послед-
ние голы С. Н. Румянцевым (1984), инфекционные болезни пред-
1Я1
ставляют собой особую группу биотических факторов среды оби-
тания живых существ. Антагонистическое взаимодействие в си-
стемах микроб — жертва, проявляющееся в форме инфекцион-
ных болезней, ограничивающих жизнеспособность жертв, слу-
жит фактором естественного отбора, различающего организмы
по деталям их молекулярного строения. В ходе такого отбора
сопряженно преобразуется молекулярная структура обеих сто-
рон—паразита и жертвы. Таким образом, микробный парази-
тизм и стимулируемый им конституциональный, наследуемый,
иммунитет играют важную роль в системе факторов естествен-
ного отбора, направляющих процессы молекулярной эволюции.
По мнениню С. Н. Румянцева, конфронтации человека с возбу-
дителями заразных болезней во много раз более разнообразны
и интенсивны, чем в любой группе животных, причем такими
опи были уже на заре возникновения человечества. Молекуляр-
ная эволюция наших предков, а впоследствии и человека про-
исходила под влиянием взаимодействия с патогенными микро-
бами также интенсивнее, чем у других животных, и затрагивала
более разнообразные молекулярные структуры. Эти взаимодей-
ствия в значительной степени нарушены в результате достиже-
ний медицины, разработки многочисленных лекарственных пре-
паратов, антибиотиков и т. и. В результате может произойти
исчезновение некоторых видов бактерий, хотя пока этого не на-
блюдается, а возможные последствия для эволюции человека
никто не может предсказать,
Для бактерий переход к паразитизму мог означать освоение
новой экологической ниши, для хозяина выработка механизмов
защиты имела жизненно важное значение. Вполне можно до-
пустить, что в процессе эволюции взаимодействий паразитиче-
ских бактерий с их хозяевами происходило полное вымирание
отдельных видов, не сумевших выработать достаточно эффектив-
ных механизмов защиты, в особенности если эти организмы бы-
ли представлены ограниченным числом малочисленных популя-
ций. Сходные примеры, можно, к сожалению, найти и в историк
человечества. Так, известно, что многие племена индейцев вы-
мерли в результате заражения болезнями, принесенными извне.
Уничтожение хозяина, за редкими исключениями, не благо-
приятно для паразита. Типична ситуация, когда устанавли-
вается определенное равновесие между паразитом и хозяином.
Это равновесие может формироваться на уровне популяции или
на уровне организма. В первом случае некоторая часть популя-
ции хозяина оказывается непригодной для развития паразита.
Даже при самых страшных эпидемиях, например при эпидемиях
чумы, уничтоживших значительную часть населения обширных
районов, были отдельные люди, совершенно невосприимчивые
к инфекции. В случае многих инфекций гибель хозяина редка.
Хотя переболевший обычно приобретает иммунитет к возбуди-
телю данного заболевания, сохранение его жизнеспособности
182
обеспечивает сохранность популяции хозяев, а иммунитет на-
следственно не передастся. Соблюдение определенного равнове-
сия эволюционно выгодно. Поэтому паразитические бактерии
обычно менее агрессивны в отношении животных, с которыми
чаше встречаются. Так, одним из основных путей распростра-
нения паразитических форм многих бактерий являются пищевые
связи хозяина. Чем обширнее эти связи, тем больше риск зара-
жения. Весьма разнообразны пищевые связи, например, собак,
шакалов, свиней, кур, но они ограничены у травоядных живот-
ных. Соответственно у первых гораздо более совершенна кон-
ституциональная устойчивость ко многим возбудителям инфек-
ционных болезней. Пищевое заражение собаки несравненно ме-
нее вероятно, чем лошади.
Механизм заражения столбняком травматический, соответ-
ственно конституциональная устойчивость к этим бактериям
обнаруживается у животных, образ жизни которых в большей
мере способствует контакту с ними, например у ежей, собак, ко-
шек. Лошади, ослы, обезьяны, напротив, крайне чувствительны.
Человек принадлежит к относительно толерантным вилам,
и столбняк развивается лишь у небольшого числа людей, полу-
чивших травмы и инфицированных Clostridium letani.
Клетки возбудителя ботулизма накапливаются в трупах жи-
вотных, отравленных его ядом; поедающие эти трупы или их
остатки животные также гибнут от ботулизма и служат суб-
стратом для размножения Cl. botulinum. Однако всеядные, в том
числе человек, обладают определенным уровнем наследствен-
ной устойчивости, по крайней мере к тем или иным разновид-
ностям ботулизма. Растительноядные, напротив крайне чувстви-
тельны к ботулизму.
§ 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БАКТЕРИЙ И РАСТЕНИИ
БАКТЕРИИ, НАСЕЛЯЮЩИЕ РАСТЕНИЯ
Поверхность растения, и главным образом поверхность
Листьев — филлосфера (гр. phyllon — лист, sphaire—шар), явля-
ется местом обитания разнообразных микроорганизмов, кото-
рые определяют как эпифитные (гр. epi — на, phyton — расте-
ние). Среди эпифитных микроорганизмов преобладают бакте-
рии. На 1 г зеленой массы растения может приходиться до
10s—107 клеток бактерий. Бактерии не только находятся на
поверхности листьев, но активно там развиваются. Особенно
обильна эпифитная микрофлора на поверхности растений, расту-
щих в условиях влажного тропического климата. Толщина слоя
микроорганизмов на листьях таких растений может достигать
20 мкм.
Численность популяций бактерий филлосферы определяется
Доступностью влаги и питательных веществ, источником кото-
183
рых служат вымываемые водой из листа вещества, секреты ц
экссудаты растения. Роса и смывы с листьев содержат амино-
кислоты, углеводы, углеводороды, органические кислоты, фито-
гормоиы, неорганические ионы. Например, листья яблони на
протяжении года теряют таким путем в пересчете на гектар
25—30 кг калия, 9 кг натрия, 10 кг кальция, а также заметные
количества сахаров, аминокислот, фенольных соединений. У фа-
соли и у других бобовых растений при сильном дожде или в ту-
мане за 24 ч вымывается до 5—6% сахаров. В качестве пита-
тельных субстратов микробам могут служить также оседающие
на поверхность листьев частицы, пыльца, вещества, растворен-
ные в дождевой воде.
Систематический состав бактерий филлосферы разнообразен.
На разных растениях могут преобладать различные виды, но
специфичность микрофлоры филлосферы не доказана. Для мно-
гих бактерий филлосферы характерна способность к синтезу
меланиновых и (или) каротиноидных пигментов, защищающих
их клетки от неблагоприятного воздействия солнечной радиации.
Так, типичным обитателем поверхности разнообразных растений
является образующая желтый пигмент Erwinia herbicola. Оби-
татели филлосферы часто синтезируют внеклеточные полисаха-
риды, защищающие клетки как от радиации, так и от высыха-
ния. Кроме того, слизи усиливают адгезию клеток, так что
даже под проливным дождем бактерии удерживаются на
листьях.
Бактерии, развивающиеся в филлосфере, могут приносить
растению пользу, выделяя стимуляторы роста; значительная
часть этих бактерий способна к азотфиксации. Однако в составе
микрофлоры филлосферы могут сохраняться и фитопатогенные
формы, до некоторых пор не вызывающие заболевания расте-
ния.
Обитателями филлосферы являются некоторые молочнокис-
лые бактерии, например Lactobacillus planiarum. С раститель-
ной массой эти бактерии попадают в силос, где их бурное раз-
витие обеспечивает созревание силоса, а также в разного рода
соленые и квашеные продукты. Лактобациллы встречаются так-
же на плодах и могут вызывать порчу соков, например, скиса-
ние томатного сока. На плодах, богатых сахаром, в частности
на винограде, бактерии особенно многочисленны. Характерным
представителем микрофлоры таких плодов является Glucono-
bacter oxydans. Имеются наблюдения, свидетельствующие о том,
что в условиях умеренного климата эти бактерии переживают
зиму, находясь в подсохших «мумифицированных» плодах, на-
пример яблоках или грушах.
Корневая система растения всегда обильно заселена бакте-
риями. .Микроорганизмы находятся непосредственно на поверх-
ногти корней (рис. 35) и в почве, прилегающей к корням,—
ризосфере (гр. rhiza—корень). Число бактерий в ризосфере пре-
'84
рышает их число в зоне почвы, удаленной от корней в десятки,
а часто в сотни раз. Это так называемый ризосферный эффект.
Он сильнее выражен у растений, обитающих па бедных почвах,
л возрастает с глубиной, в особенности если корни достигают
подстилающий грунт. Усиленное размножение бактерий в рнзо-
Рис. 35. Клетки и колонии бактерий на поверх-
ности корня пшеницы. Сканирующий ЭМ, фото-
графия В. К. Лсбского и А. В. Плющ, лаборато-
рия электронной микроскопии ВАСХ11ИЛ.
/ — поверхность базальной части корня, 2 —лона разви-
тых корневых волосков.
сфере определяется поступлением в прикорневую зону корне-
вых выделений, содержащих различные органические вещества,
доступные бактериям, и корневого опада, т. е. отмирающих
корней.
Популяции .многочисленных видов микроорганизмов ризо-
сферы пе являются собственно микрофлорой растения, однако
185
они оказывают большое влияние на жизнедеятельность расте-
ния: бактерии ризосферы вырабатывают тиамин и ряд других
витаминов, синтезируют ростовые вещества — гиббереллин н ге-
тероауксин, разрушают органические и минеральные соедине-
ния, способствуя повышению эффективности использования рас-
тением минеральных веществ почвы. Развитие в составе ризо-
сферной микрофлоры разнообразных бактерий создает условия
для конкуренции между ними за пищевые субстраты, что пре-
пятствует развитию здесь случайных форм, в том числе и фито-
патогенных. Большое значение придают также возможности раз-
вития в составе микрофлоры ризосферы бактерий — активных
антагонистов фитопатогенных форм. Следует однако иметь в
виду, что иногда в ризосфере могут накапливаться и условно
патогенные формы микроорганизмов и формы, образующие фи-
тотоксины. Это может послужить причиной почвоутомления.
В ризосфере преобладают гетеротрофные грамотрицательные
палочки. Состав ризосферной микрофлоры около разных расте-
ний различается, хотя строгой приуроченности определенных
бактерий к определенным растениям не удается обнаружить.
Наиболее интенсивное размножение бактерий в ризосфере
наблюдается в период наиболее интенсивного роста растения
и перед цветением. После завершения развития однолетних
растений их корешки отмирают и постепенно используются раз-
нообразными микроорганизмами в качестве источника пищи.
В этот период состав ризосферной микрофлоры изменяется: раз-
множаются бактерии, использующие пектин, клетчатку, увели-
чивается численность грамположительных форм.
В сообществах бактерий, связанных с небобовыми растения-
ми, наблюдается потребление молекулярного азота, так назы-
ваемая ассоциативная азотфиксация. По современным представ-
лениям способность к фиксации молекулярного азота в той или
иной степени присуща очень многим бактериям, как грамотри-
цательным, так и грамположитсльным. Около 75% видов насе-
ляющих почву бактерий способны к азотфиксации. Интенсив-
ность ассоциативной азотфиксации зависит прежде всего от
фотосинтетической активности растения. Так, в зоне умеренного
климата в результате ассоциативной азотфиксации в сообщест-
вах луговых и зерновых злаков за вегетационный период по-
ступает от 30 до 40 кг азота на гектар, тогда как в почве чер-
ного пара, т. с. без растений, не более 10—13 кг/га. Хотя ассо-
циативная азотфиксация может осуществляться при участии
весьма разнообразных видов бактерий, особое значение в по-
следние годы придают развитию в ризосфере азотфиксирующих
'Azospirillum. Исследуется вопрос о возможности искусственного
стимулирования активности этих азотфиксаторов путем созда-
ния более активных штаммов.
Растения оказывают мощное влияние па состав и активность
ризосферных микробных сообществ через продукты корневых
186
выделений и корневого опада. Корневые выделения и опад со-
ставляют около одной трети от общего количества синтезирован-
ного растением органического материала. Можно предполагать,
нто процесс эволюции взаимодействий растений с бактериями
оказал определенное влияние на характер этих продуктов, спо-
собствуя преимущественному развитию полезных для растения
форм микроорганизмов. Микрофлора филлосферы и ризосферы
растения является до некоторой степени аналогом нормальной
микрофлоры организма животного. Здесь также большое значе-
ние имеет предотвращение нормальной микрофлорой развития
патогенных форм, хотя возможны и неблагоприятные для расте-
ния сдвиги в ее составе.
КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ-СИМБИОНТЫ
Клубеньковые бактерии представляют собой грамотрицатель-
ные подвижные аэробные палочки; быстрорастущие формы от-
носят к роду Rhizobium, медленнорастущие — к роду Bradyrlii-
zobium. Клубеньковые бактерии способны формировать симбио-
тические ассоциации с бобовыми растениями. В образующихся
при этом на корнях бобовых растений клубеньках активно идет
фиксация молекулярного азота.
Семейство бобовых, Leguminosae, включает экономически
важные сельскохозяйственные культуры — горох, бобы, лю-
церну, клевер, сою, арахис и др. Бобовые подразделяют на трн
подсемейства, 90% представителей подсемейств Mimosoideae и
Papilionoideae и 23% представителей Caesalpinoideae вступают
в симбиотические ассоциации с клубеньковыми бактериями.
Некоторые штаммы бактерий инфицируют и небобовые расте-
ния, например Trema canabina, виды Parasponia.
Клубеньковые бактерии способны существовать в почве вне
симбиоза с растением, хотя в этом случае они невсегда оказы-
ваются достаточно конкурентноспособными.
Первичные этапы взаимодействия клеток бактерий с корне-
вой системой соответствующего растения включают аттракцию
бактерий его корневыми выделениями, хотя способность бакте-
рий к хемотаксису пе является абсолютно необходимым усло-
вием заражения растения. Растения заражаются и неподвиж-
ными мутантами клубеньковых бактерий, очевидно, однако, что
в природных условиях способные к хемотаксису штаммы имеют
преимущество. В модельных экспериментах наблюдали быструю
концентрацию клеток подвижных бактерий в зоне слизистого
слоя, покрывающего поверхность корня растения, выделяющего
аттрактанты.
Клубеньковые бактерии обнаруживают видовую специфич-
ность. Обычно определенный вид бактерий образует клубеньки
только на одном или немногих видах бобовых. Так, Rhizobium
trifolii инфицирует корни клевера, но не корни люцерны или
187
бобов. R/i. phaseoli образует клубеньки па корнях фасоли, по це
клевера или люцерны.
Существенное значение для взаимного узнавания бактерий ц
растения имеют лектины бобовых. Это — белки или гликопро.
теины, лишенные ферментативной активности, по способные
к специфическому связыванию остатков сахаров. Процессы свя-
зывания сахаров лектинами сходны с реакциями антиген — ан-
титело. Лектины могут определять хозяйскую специфичность,
реагируя с определенными углеводными остатками па поверх-
пости симбиотических бактерии. Лучше других изучены взаимо-
Рис. 36. Схема первой фазы прикрепления Rhizobium tri-
jolii к корневому полоску клевера (по: Dazzo, 1981).
действия Rh. trifolii с корнями белого клевера. Клевер синтези-
рует лектин — трифолиин. Поверхности бактерии и клетки рас-
тения содержат сходные антигенные детерминанты, реагирую-
щие с трифолиином. Лектин служит мостиком между ними
(рис. 36). Соответствующие антигенные детерминанты содержит
кислый капсульный полисахарид и(или) липополисахарид
Rh. trifolii. Эти детерминанты обнаруживаются только на по-
верхности клеток бактерий, способных инфицировать растение.
Можно выделить две стадии прикрепления бактерий к кор-
невым волоскам клевера. Сначала бактерии располагаются на
поверхности корневого волоска случайным образом, но через не-
которое время большинство клеток ориентируются полярно-
Клевер обладает ферментами, разрушающими бактериальные
капсульные полисахариды, препятствуя до некоторой степени их
188
связыванию с трифолиином. Но причинам, которые пока неясны,
эти ферменты удаляют сначала капсульные полисахариды, рас-
положенные сбоку клетки, не затрагивая капсулы па полюсах.
Поэтому в конечном счете клетки оказываются прикреплен-
ными к корневому волоску одним из полюсов. Бактерии, осев-
щие на корневом волоске, начинают синтезировать целлюлоз-
ные волокна, которые еще прочнее закрепляют их на поверх-
ности корневого волоска.
Способность клеток Rh. trifolii прикрепляться к корням кле-
вера изменяется с возрастом культуры. Наибольшую способ-
ность к прикреплению обнаруживают клетки из культуры, нахо-
дящейся в ранней стационарной фазе роста.
Лектины сои также имеют значение для формирования се
симбиоза с Br. japonicum. Лектины сои связывались с клетками
22 из 25 испытанных штаммов В. japonicum и не связывались
ни с одним из 23 штаммов клубеньковых бактерий другого
вида. Лектин сои специфически взаимодействует с галактозными
остатками капсульных полисахаридов бактерий. Значение лек-
тина для становления симбиоза Br. japonicum с растениями сои
несомненно, однако имеются линии растений сои, совершенно
утратившие способность к синтезу лектина, но в ассоциации
с В. japonicum образующие клубеньки.
Клубеньки нс образуются на корнях растений, произрастаю-
щих в условиях повышенного содержания связанного азота.
Число клеток клубеньковых бактерий, прикрепляющихся к кор-
невым волоскам клевера, постепенно снижается при увеличении
количества нитратов от 1 до 15 мМ. Одной из причин этого яв-
ляется снижение содержания в корнях трифолнина, синтез ко-
торого, видимо, может быть репрессирован соединениями свя-
занного азота.
Роль лектинов во взаимодействии с растением установлена
для многих штаммов Rh. trifolii, Rh. leguminosarum, Br. japoni-
сит, однако неизвестно, имеют ли аналогичное значение лекти-
ны и для других видов клубеньковых бактерий.
Известны два пути внедрения клубеньковых бактерий в ко-
рень растения-хозяина; через корневые волоски или «расщели-
ны», которые образуются в основаниях боковых ответвлений
корня. Направления атаки, предпочитаемые бактериями, по-ви-
димому. можно объяснить спецификой структуры клеточной
стенки растения.
Стенка клетки корневого волоска, как известно, состоит из
двух слоев: первичного (альфа-слоя) и вторичного (бета-слоя).
Первичный слой простирается по всей поверхности волоска и
состоит главным образом из пектиновых веществ и гемицеллю-
лоз с относительно небольшим количеством целлюлозных фиб-
рилл. На верхушке корневого волоска целлюлозные фибриллы
альфа-слоя образуют разреженную сетку. Под альфа-слоем
Лежит второй слой стенки, в котором целлюлозные фибриллы
189
располагаются параллельно продольной оси корневого волоска.
Их плотность здесь выше, поэтому бста-слой прочнее иаруж-
ного. Бета-слой нс достигает верхушки молодого корневого во.
лоска, но у закончившего рост волоска и верхушка покрыта
двойным слоем целлюлозы. Очевидно, поэтому бактериям легче
проникать в растение именно через зону роста только еще обра-
зующихся корневых волосков.
Растения, инфицируемые через корневые волоски, обычно
проявляют высокую специфичность в отношении партнера-сим-
бионта. Специфичность же растений, в которые бактерии про-
никают через «расщелины» в ответвлениях корня, низкая, т. е.
Ддгези?
ОбмзгЗание инерекционнш)
нити
ЗахВатыбание
Рис. 37. Заражение клубеньковыми бактериями корневого во-
лоска бобового растения (го: Pueppke, Hawes, 1985).
они могут быть инфицированы большинством видов клубенько-
вых бактерий. К таким растениям относится, например, арахис.
Искривление корневого волоска является первым признаком
заражения растения. Степень деформации волоска зависит от
вида растения, инфицирующего штамма бактерии и места их
проникновения в растение. Наиболее сильно изгибаются корне-
вые волоски при инфицировании активными гомологичными
штаммами.
Механизм искривления корневого волоска не вполне поня-
тен. Полагают, что прикрепленные к корневому волоску бакте-
рии ингибируют отложение ригидного бета-слоя только в месте
прикрепления бактерий, а его одновременное формирование на
противоположной стороне приводит к искривлению корневого
волоска. В результате сильного закручивания корневого волоска
бактерии оказываются внутри его завитка (рис. 37).
Электронно-микроскопические исследования места инвазии
выявляют дезинтеграцию стенки корневого волоска. Клеточная
стенка, вероятно, разрыхляется под воздействием гидролити-
ческих ферментов бактерий, хотя обнаружить у них такие фер-
менты пока не удавалось.
190
В корневом волоске клубеньковые бактерии образуют так
называемую инфекционную нить, представляющую собой гифо-
образную слизистую массу, в которую погружены делящиеся
клетки бактерии. Нить передвигается к основанию волоска и
клеткам эпидермиса со скоростью 5—8 мкм в час. Из корневого
волоска нить проникает через клетки коры в паренхиму. Инфек-
ционная пить сразу же по мерс роста покрывается целлюлозной
оболочкой, которую синтезирует растение, по-видимому, с целью
изоляции ризобий.
Клубеньковые бактерии способны размножаться лишь в те-
траплоидпых клетках растения. Когда инфекционная нить про-
низывает находящиеся в коре тетраплоидпые клетки, часть бак-
терии переходят из нити в цитоплазму этих клеток и начинают
в них размножаться. Инфицирование клетки клубеньковыми бак-
териями стимулирует деление не только этой, но и соседних не-
зараженных клеток. Таким образом формируется ткань клу-
бенька. Инфекция распространяется через тетраплоидные клет-
ки. Кора и проводящие сосуды клубенька формируются из ди-
плоидных клеток. Бактерии, перешедшие в цитоплазму клеток,
растут, делятся, но затем превращаются в бактероиды — неспо-
собные к делению увеличенные в объеме клетки нередко Т- или
У-образной формы. Бактероиды могут составлять до 25—50%
массы клубенька. В клетках растения бактерии чаще всего
находятся в вакуолях, окруженных перибактероидной мембра-
нам, являющейся дериватом плазмалеммы растительной клетки.
Бактероиды содержат больше поли-р-оксимасляиой кислоты,
гликогена и полифосфатов, чем свободноживущие клетки, но
меньше ДНК. В мембранах свободноживущих бактерий больше
цитохромов а и аз, чем в бактероидах, а в мембранах бактерои-
дов больше цитохрома ю и Р-450. Бактероиды становятся чем-то
вроде азотфиксирующих органелл растения-хозяина. Лишь не-
значительная их часть способна переходить в вегетативное со-
стояние, делиться и образовывать колонии.
Активно фиксирующие азот клубеньки обычно довольно
крупные и красноватые из-за наличия леггемоглобина (ЛГ).
ЛГ обнаруживают уже на второй день после появления клу-
бенька, а фиксацию азота — на четвертый. ЛГ — один из важ-
1 нейших продуктов симбиоза, он может составлять до 40% об-
щего количества растворимых белков клубеньков сои. В син-
тезе ЛГ участвуют оба симбионта — растение и бактерии. Апо-
гемоглобин (белок без гема) синтезирует растение. Если два
различных растения инокулировать одним и тем же штаммом
бактерии, у каждого растения образуется свой особый тип ЛГ,
если же растения одного вида инокулировать разными штам-
пами бактерий, ЛГ всегда идентичен. За синтез гема ответст-
| Венны бактероиды. Небольшое количество гема, синтезирован-
ного ими, используется для образования геминовых белков, но
основная его часть идет па образование ЛГ.
191'
ЛГ не участвует непосредственно в фиксации азота, по.
скольку бактероиды могут фиксировать азот и без пего. Видимо,
физиологическая роль Л Г состоит в снабжении бактерии моле-
кулярным кислородом и ограничении его концентрации путем
связывания, так, что система нитрогеназы не ингибируется.
Способность клубеньковых бактерии к симбиозу обычно де-
терминирована плазмидными генами: /юзСгепы определяют
узнавание хозяина, nod-гсны— способность формировать клу-
беньки, /п7'-гсны — способность к фиксации молекулярного азо-
та. Плазмиды, в которых локализованы эти гены, называют
si/ш-плазмидамн (symbiosis inducing). Число и размеры плаз-
мид варьируют у разных видов и даже штаммов клубеньковых
бактерий. У некоторых штаммов может быть до 7 плазмид мо-
лекулярной массой от 80 до 400 МД.
Гены, ответственные за образование клубеньков, у Rhizo-
bium leguniinosarum, Rh. trifolii, Rh. phaseoli и Rh. meliloti ло-
кализованы в крупных плазмидах размером 100—500т.н.о.
С плазмидой от Rh. leguniinosarum передается способность
к образованию клубеньков на корнях гороха клеткам Rh. trifolii
пли Rh. phaseoli.
У некоторых штаммов клубеньковых бактерий пД-гены на-
ходятся в маленьких плазмидах (мол. масса до 100МД), у дру-
гих— в больших. У Br. japonicuni nif-геиы интегрированы с хро-
мосомой.
Для формирования симбиотической системы R. leguminosa-
гит кроме плазмидных генов, видимо, необходимы и хромо-
сомные. Большинство плазмидных генов этой бактерии транс-
крибируется исключительно в зрелых бактероидах, но пе в сво-
бодпожнвущих бактериях.
Гены растения контролируют способность к формированию
симбиотических отношений, а также способ заражения. Так,
штамм клубеньковых бактерий коровьего гороха инфицировал
хозяина через корневые волоски, а люпин — через расщелины в
эпидермисе в местах отхождения боковых корешков.
Геном хозяина влияет на процесс дифференцировки и мор-
фологию бактероидов, а также на число клеток бактероидов,
заключенных в одной вакуоли.
Между растением и бактерией, видимо, возможен прямой
обмен генами. Так, изофермент II глутаминсинтстазы Bradyrhi-
zobium japonicuni обнаруживает гомологию с соответствующим
ферментом хозяина, но не с ферментами прокариот. Очевидно,
ген, продуктом которого является этот фермент, клубеньковые
бактерии получили от растения-хозяина,
Симбиотические системы типа клубеньковые бактерии —бо-
бовые растения дают пример весьма сложно и совершенно орга-
низованного симбиоза организмов, принадлежащих к различ-
ным царствам.
В клубеньках, формирующихся на корнях некоторых небо-
192
бовых растений, например ольхи, развиваются актиномицсты из
рода f’rankia. В таких клубеньках идет активная азотфиксация.
У других растений в клубеньках могут быть обнаружены раз-
нообразные бактерии, но природа симбиозов и закономерности
их становления еще плохо изучены.
В условиях тропического климата бактерии рода Phyllobac-
ieruun образуют клубеньки на корнях миртовых (Myrlaceae),
мореновых (Rubiaceae) и ямсовых (Dioscoreaceae). Внешне
клетки Phyllobacterium похожи на клетки ризобий, в клубень-
ках они часто "дифференцированы, раздуты, ветвятся подобно
бактероидам клубеньковых бактерий. Однако по многим при-
знакам филлобактерии отличаются от ризобий. Симбиотические
отношения Phyllobaclerium с растениями слабо изучены. Даже
окончательно не установлено, происходит ли в клубеньках фик-
сация молекулярного азота, хотя местное население использует
содержащие клубеньки листья для удобрения полей.
БАКТЕРИИ ПАРАЗИТЫ
Бактерии, паразитирующие на растениях, называют фитопа-
тогенными. Виды фитопатогенных бактерий известны среди
аэробных и факультативно анаэробных грамотрпцательных па-
лочек, в их числе бактерии, относящиеся к Pseudomonas, Xanl-
hoinonas, Erwinia, Agrobacterium и др., а также среди грампо-
ложптельных коринсформных бактерий и микоплазм. Как и па-
тогены животных, патогены растений обладают факторами пато-
генности, позволяющими им преодолевать защитные барьеры
растения. К таким факторам относятся прежде всего ферменты
пектиназы и целлюлазы, а также фитотоксины, фитогормоны и
факторы адгезии.
Бактерии заражают растения, проникая через устыща, че-
чевички, нектарники и гидатоды, иногда передаются с семенами.
Некоторые бактерии могут проникать в растение только через
свежие ранки, даже очень незначительные. Например, корине-
формная бактерия, возбудитель бактериального рака томатов,
заражает растение при поломке волосков на стебле или на пло-
дах. Заражению растения бактериями часто способствуют насе-
комые. Erwinia amylovora переносится пчелами и проникает в
растение через нектарники, пчелы переносят также фитопато-
генные виды спироплазм. Е. stewarli, возбудитель вилта куку-
рузы, разносится жуками и заражает растение через их погрызы.
Клетки бактерии находятся в кишечнике и в слюнных железах
насекомого и даже перезимовывают там.
Фитопатогениые бактерии, проникшие в растение, обычно
размножаются в межклеточном пространстве и в сосудистых
пучках. Они вызывают различные гнили, ожоги, пятнистости,
увядания, опухолевые разрастания.
(Между фитопатогениыми бактериями и растениями сложп-
13 Заказ .Vi 1(51	193
лись специфические взаимоотношения, включающие процессы
взаимного узнавания и следующих за ним физиологических ц
регуляторных реакции. Узнавание бактерией растения-хозяина
может стимулировать реакции, необходимые для проникновения
бактерий в ткани растения и развития в них. Узнавание расте-
нием фитоиатогенной бактерии стимулирует его защитные реак-
ции. Существенную роль в подобных взаимодействиях могут
играть уже упоминавшиеся лектины растений. Например, ави-
рулентные штаммы Pseudomonas solanacearum интенсивно аг-
глютинируют под действием лектина клеток картофеля, пред-
ставляющего собой богатый гидроксипролином гликопротеин.
Клетки бактерии, связанные с лектином, обычно погибают.
Клетки вирулентного штамма не агглютинируют, однако их
взаимодействие с лектином стимулирует гиперчувствптельный
ответ растения. Реакция гиперчувствителыюсти — гибель клеток
около места внедрения паразита; клетки теряют воду, выцветают
и спадаются. Микроорганизмы оказываются внутри скопления
спавшихся клеток хозяина, и соседние здоровые ткани таким
образом изолируются от паразита.
Важным фактором устойчивости растений к фитопатогснным
бактериям являются фитоалексипы. Это — низкомолекулярные
соединения, гетерогенные по химической структуре, обладающие
бактерицидными свойствами. Фитоалсксины не образуются в
здоровом растении, но их синтез индуцируется в пораженных
бактериями тканях. Индукторами синтеза фитоалекспнов мо-
гут быть различные соединения, в том числе элементы клеточ-
ной стенки бактерии. Защитная реакция растения может инду-
цироваться сигнальными молекулами, образующимися в резуль-
тате деградации оболочек растительных клеток при инфекции.
Например, при гидролизе нолигалактуроновой кислоты эндопо-
лигалактуронидазой Erwinia carotovora образуются фрагменты,
индуцирующие синтез фитоалексинов растением сои.
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
С РАСТЕНИЯМИ БАКТЕРИИ РОДА AGROBACTERIUM
Виды Agrobacterium эволюционно родственны клубеньковым
бактериям, относящимся к роду Rhizobium, и имеют много об-
щих с ними черт. Однако характер взаимодействия агробакте-
рий с растением имеет весьма своеобразные особенности.
Л. tumefaciens вызывает образование опухолей стебля дву-
дольных растений — так называемых корончатых галлов. Бак-
терии прикрепляются к клеткам растения в местах повреждений.
Процесс взаимодействия клеток бактерий и растений схемати-
чески показан па рис. 38. Сайтами связывания на поверхности
бактерий, видимо, являются молекулы р-глюкана и О-антиген-
пые цепи липополисахарида внешней мембраны. Бактерии свя-
зываются с рецепторами растения, состоящими из белка и пек-
194
типа; лектипы в данном случае не имеют значения. Бактериаль-
ные сайты связывания и рецепторы растений являются консти-
тутивными, т. с. оба партнера обладают ими ешс до момента
взаимодействия. Первый шаг взаимодействия с растением —
узнавание- следует рассматривать как специфическую адгезию
бактерий.
Как только бактерии прикрепились к поверхности клеток
растения, они начинают образовывать целлюлозные фибриллы.
Эти фибриллы можно увидеть в сканирующем электронном мик-
роскопе уже через 90 мин после, добавления бактерий к суспен-
зии клеток культуры ткани моркови. К 10ч инкубации фибрил-
лы формируют сеть, покрывающую поверхность растительных
клеток. Фибриллы служат более прочному закреплению бакте-
рий на поверхности хозяина. Мутанты, утратившие способность
Рис. 38. Последовательные этапы прикрепления
Agrobacterium tumefaciens к клеткам моркови
(по: Mattliysc, 1985).
В'М — внешняя мембрана. ИМ — цитоплазматическая
мембрана, С. сайт связывания с растительным рецеп-
тором (Р), О —клеточная стенка, Ф —фибриллы.
к синтезу целлюлозных фибрилл, сохраняли вирулентность и
способность прикрепляться к клеткам хозяина, однако в отличие
от клеток родительского штамма их можно было легко удалить
с поверхности растения струей воды. За целлюлозные фибрил-
лы могут зацепиться свободно плавающие клетки бактерий.
Фиксируя их у поверхности растения, фибриллы таким образом
увеличивают множественность заражения. В результате размно-
жения бактерии образуются скопления их клеток на поверхности
растения. Клеточная стенка растения повреждается вследствие
выделения бактериями пектолитических ферментов, что обеспе-
чивает плотный контакт бактерий с плазмалеммой растительной
клетки. Этот контакт необходим для передачи ДНК от бактерии
в растительную клетку. Передача ДНК происходит без наруше-
ния целостности мембраны растительной клетки, но требует
определенного ее состояния — компетентности.
Способность A. tumefaciens индуцировать у растений образо-
вание опухолей типа «корончатого галла» коррелирует с налн-
3*	195
чисм у них 77-плазмиды (tumor-inducing). При контакте с клет-
кой растения бактерия передает ей часть ДНК плазмиды, так
называемую Т-ДПК (transfer). Т-ДПК, содержащая гены, не.
обходимые для образования опухоли и синтеза опинов — специ-
фических производных аминокислот, встраивается в хромосому
растительной клетки. Т-ДПК содержит также гены, определяю-
щие синтез фитогормонов — ауксина и цитокинина, от соотно-
шения которых зависит морфология образующейся опухоли.
В составе П-плазмиды бактерии есть, кроме того, гены ви-
рулентности и гены, необходимые для катаболизма опинов. По-
следние служат бактериям, имеющим соответствующие плаз-
миды, источниками углерода, азота и энергии. Разные штаммы
бактерий индуцируют синтез различных опинов в зависимости
от природы имеющихся у них плазмид. Известно три класса
77-плазмид: октопин-, нопалин- и агропип-плазмиды. Таким
образом, в опухолях происходит селекция клеток бактерий, не-
сущих 77-плазмиду, но наибольшую выгоду получает ДНК Ti-
плазмиды, поскольку происходит селекция бактерий, ее несу-
щих. Опины к тому же индуцируют копъюгативный перенос
Тг-плазмиды. Описанное явление обозначают термином «гене-
тическая колонизация».
Болес 40 семейств двудольных растений чувствительны
к A. tumefaciens, но эти бактерии не образуют опухоли на одно-
дольных растениях. Изолированные илазмидные ДПК, однако,
могут быть экспрессированы в протопластах таких растений,
как пшеница, кукуруза, овес. Невозможность заражения, оче-
видно, определяется отсутствием у клеток этих растений соот-
ветствующих рецепторов, необходимых для взаимодействия
с бактериями.
Другой вид Agrobacterium — A. rhizogenes— вызывает забо-
левание, именуемое «бородатый корень», при котором в зоне
повреждения корня образуется масса новых корешков. Патоген-
ность этой бактерии определяется /?Кплазмидой (root-inducing).
часть которой тоже переносится в клетку хозяина и встраи-
вается в хромосому. Трансформированные клетки растений и
в этом случае начинают синтезировать опины, используемые
бактерией.
Взаимодействие видов Agrobacterium с растениями пред-
ставляет особый интерес, потому что здесь иллюстрируется на-
личие в природе способа паразитизма, при котором один из
партнеров не только приспосабливается генетически к свойствам
другого партнера-хозяина, но также специфически изменяет не-
которые свойства хозяина путем встройки некоторых своих ге-
нов в его геном. Изящный и необычный, но в то же время до-
вольно широко распространенный процесс образования корон-
чатых галлов или опухолей типа бородатого корня у расте-
ний— уникальный пример миграции ДНК прокариот в эукарио-
тическую клетку.
196
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	В чем состоят механизмы конкуренции у бактерии?
2.	Определите смысл понятий «симбиоз», «синтрофия», «паразитизм», «ан-
тагонизм».
3.	Охарактеризуйте основные типы симбиотических систем с участием
бактерий.
4.	Каковы основные факторы патогенности у бактерий?
5.	Каноны механизмы взаимодействия ризобий с бобовыми растениями?
6.	Приведите примеры паразитизма бактерий па растениях.
Г Л Л В А 4
БАКТЕРИИ В СООБЩЕСТВАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИИ
Любые таксоны живых организмов характеризуются определенными аре-
алами.
Ареал (лат. area — площадь, пространство)—это часть земной поверх-
ности, в пределах которой распространен п проходит полный цикл своего
развития данный таксон (вид, род, семейство и т. д.). Об ареалах бактерий
говорят редко, как и о закономерностях их географического распростра-
нения. Однако по крайней мере некоторые виды бактерий имеют ограничен-
ные ареалы.
Внутри ареалов организмы развиваются в составе определенных экоси-
стем
Экосистема (греч. oikos — жнлшце, местообитание, systema — сочетание,
объединение) — совокупность совместно обитающих организмов и условий
их существования, находящихся в закономерной связи друг с другом и обра-
зующих систему взаимно обусловленных биотических и абиотических явле-
ний и процессов.
Понятие экосистема приложимо к объектам разной сложности и разме-
ров. Можно выделить экосистему озера, пруда, леса, по может быть экоси-
стема рубца жвачного животного, кишечного тракта дождевого червя или
ризосферы растения. В экосистему входят сообщество организмов или биоце-
ноз и физико-химические условия его обитания.
Под «окружающими условиями» обычно понимают как биотические, так
и абиотические компоненты экосистемы.
Синэкология (греч. syn — вместе) — раздел экологии, изучающий сооб-
щества организмов.
' Биоценоз — это сообщество организмов разного уровня — животных, ра-
стений, микроорганизмов. Бактерии являются компонентами любых биоцено-
зов. Биоценозы являются объектами исследований общей экологии или спе-
циальной пауки биоценологии. Сообщество, включающее только микроорга-
низмы. можно обозначить термином ценоз, или микроценоз. Мпкроцснозы мо-
V гут быть самостоятельными или являться элементами биоценоза. Их разно-
образие иногда значительно даже в пределах ограниченной территории.
Весьма гетерогенным субстратом является, например, почва, для которой
характерна ярко выраженная микрозональность или .микроочаговость. Са-
мостоятельные Ценозы микроорганизмов могут здесь складываться на по-
верхности корней растений, на отмирающих растительных остатках, на скоп-
лениях гумуса и т. п.
Мпкроценозы по своему составу и свойствам могут быть более или ме-
нее стабильными пли нестабильными и временными, степень их функцио-
нальной самостоятельности может сильно различаться. Как относительно по-
198
(•гоянные и самостоятельные можно рассматривать, например, ценозы пище-
варительного тракта животных, рубца жвачных, кишечника насекомых п т. п.
Своеобразные ценозы развиваются при разложении трупов животных.
Местообитания — это места, где определенные организмы присутствуют
к размножаются и могут быть обнаружены. Внутри экосистемы определен-
ный микроорганизм обычно имеет лишь одно местообитание. Однако п
разных экосистемах один и тот же вид может иметь несколько местооби-
таний. Например, условнопатогеиные бактерии Pseudomonas aeruginosa.
Staphylococcus aureus и др. находятся на разных участках тела в зависимо-
сти or состояния хозяина, а псевдомонады входят и в состав ценозов водо-
емов. Одни п те же виды метанобразующих и целлюлозолитическпх анаэроб-
ных бактерий встречаются в составе микрофлоры рубца жвачных животных,
в илах водоемов и в ферментерах для анаэробной минерализации органиче-
ских отходов — метантенках. В экологии бактерий местообитание часто опре-
деляют как определенную экосистему, т. е. не делают различия между этими
понятиями. Поскольку нередко экосистемы, рассматриваемые бактериологами,
очень невелики, говорят о мпкроэкосистемах.
Экологическая ниша — это совокупность всех факторов среды, в преде-
лах которых возможно существование вида в природе. В понятие экологиче-
ской пиши входит также та роль, которую данный организм играет в дан-
ной экосистеме, пли, иначе говоря, та функция, которую выполняет данный
организм как член сообщества видов этой экосистемы. Способность к вы-
полнению определенной функции в экосистеме, определяется всем комплексом
физиологических и биохимических особенностей данного вида. Обычно эколо-
гическая ниша, занимаемая организмом в естественной среде, бывает уже,
чем можно было бы ожидать, исходя из потенциальных возможностей данно-
го вида. Так, например, многие бактерии, гидролизующие целлюлозу, не
являются строго специализированными и могут использовать различные орга-
нические вещества. Однако во многих экосистемах их развитие связано
только с использованием целлюлозы, поскольку на других субстратах они
оказываются неконкурентноспособными. В чистой культуре серная пурпурная
бактерия Chroinatiuin vinosutn прекрасно растет в среде с малатом, исполь-
зуя его в качестве донора электронов, однако в смешанных культурах в этой
среде преимущество имеют представители Rhodospirillaceae—несерпые пур-
пурные бактерии, которые вытесняют Chromatium.
Согласно принципу (закону) Вольтерры — Гаузе, или принципу конку-
рентного исключения, два вида не могут устойчиво сосуществовать в ограни-
ченном пространстве, если рост численности обоих лимитирован одним и
тем же жизненно важным ресурсом, количество или доступность которого
ограничены. Это также означает, что два вида нс могут сосуществовать,
если они занимают одну экологическую пишу.
§ 1. АРЕАЛЫ БАКТЕРИЙ
Бактерии распространены повсеместно и присутствуют везде,
где есть какая-либо жизнь. Следует, однако,, различать усло-
вия, в которых бактерии развиваются активно, и условия, в ко-
торых они сохраняются, но не активны. По существующим
представлениям в атмосфере активного развития бактерии не
происходит, хотя они могут присутствовать здесь в большом
числе. В литературе, правда, есть сообщения о росте и даже де-
лении клеток Serratia marcescens во взвешенных в воздухе ка-
пельках воды. Такого рода наблюдения, однако, требуют под-
тверждения.
Бесспорно, существуют типично морские бактерии; так, боль-
шинство светящихся бактерий может быть обнаружено только
в море.
199
Различные территории Земли отличаются друг от друга кли-
матическими условиями, химическим составом подстилающих
пород и другими факторами, обусловливающими направление
почвообразовательного процесса и характер миграции химиче-
ских элементов. Вследствие этого химический состав естествен-
ных сред обитании организмов географически неоднороден.
Однако общепризнано, что большинство видов бактерий —
космополиты, их распространение не определяется географине
скпм фактором и зависит только от экологических условий мест
обитания. Например, сходные виды бактерий обитают в горячих
источниках на различных континентах; имеющиеся здесь раз-
личия вполне могут зависеть от особенностей химического со-
става соответствующих вод.
Поэтому нс принято говорить о географических закономер-
ностях распространения тех или иных бактерий и об их ареалах.
Эта ситуация отчасти зависит от недостатка наших знаний в
области систематики и биологии бактерий, по и сейчас уже
можно найти примеры, свидетельствующие о существовании гео-
графических закономерностей распространения, а также о су-
ществовании ареалов некоторых форм.
Определенные ареалы имеют многие виды бактерий, обли-
гатно связанных в своем существовании с теми или иными втг
дами высших организмов.
Хорошо известны ареалы возбудителя чумы Yersinia nestis,
так же как и их изменения в исторический период. Известий,
что pest is происходит из каких-то районов на центральном
плато провинции Юнань в Китае. Караваны купцов разносили
эту бактерию но различным районам Земли. В древности и
в особенности в период средневековья периодически возникали
страшные эпидемии чумы. В XIV' столетии от чумы погибло
около четверти населения Европы. Однако столь бурное рас-
пространение этой бактерии носило временный характер. По-
стоянно существовать она может только в определенных усло-
виях и колониях грызунов. В Европе в средние века такими
постоянными ее ареалами были колонии сурков.
После исчезновения этих колоний постоянных ареалов Y. ре-
slis в Европе не стало, но в некоторых районах Азии в коло-
ниях грызунов эта страшная бактерия время от времени обна-
руживается. Благодаря хорошо организованной противочумной
службе в пашей стране чума как заболевание практически лик-
видирована, хотя сами бактерии в известных ареалах временами
обнаруживаются. В Америке до 1900г. этой бактерии не было.
Начиная с 1900 г. стали отмечаться отдельные случаи заноса
заболевания, а с 1924 г. на западе США образовались постоян-
ные очаги чумы в колониях диких грызунов.
Примером бактерии, обладающей вполне определенным и
крайне ограниченным ареалом, может служить Bartonella ba-
cilliforinis — грамотрицателъвая бактерия, вызывающая у людей
200
бартоннелез. Заражение происходит в результате укуса крово-
сосущей песчаной мухи из рода Phlebotomus, встречающейся
только на высоте 750—2400 м над уровнем моря в полосе ши-
риной менее 100 км и длиной около 1000 км в западных отрогах
Дид в Неру, Эквадоре и Колумбии.
Микробиологами получен обширный материал, характери-
зующий закономерности распространения свободпоживущих
азотфиксирующих бактерий, особенно Azotobacler. Азотобактер
весьма требователен к условиям среды, для его развития необ-
ходима высокая влажность, близкая к нейтральной реакция сре-
ды, а также достаточное количество фосфора, калия, кальция,
молибдена и ряда других микроэлементов. Азотобактер распро-
странен главным образом в почвах районов с умеренным кли-
матом и в некоторых случаях на севере.
Во влажных районах субтропической и тропической зон
весьма распространены кислые почвы — латериты. В них азото-
бактер замещается близкими к нему организмами, относящими-
ся к роду Beijerinckia. Представители Beijerinckia могут расти
в кислой среде, устойчивы к высоким концентрациям алюминия
(кислые почвы содержат большое количество этого элемента).
Для развития Beijerinckia не требуется кальция, достаточно
относительно небольших доз молибдена, соединения которого
в кислой среде нерастворимы. В СССР Beijerinckia обнаружена
в красноземах Грузии. В кислых почвах севера эти бактерии нс
встречаются.
Ряд закономерностей географического распространения неко-
торых почвенных бактерий был установлен Г.. II. Мишустиным.
Наиболее показательными в этом отношении оказались почвен-
ные спорообразующие бациллы. Все бациллы — космополиты,
однако для каждого вида имеются зоны оптимального размно-
жения. Группа Bacillus agglomeratus— В. cereus характерна для
почв Крайнего Севера. В подзолах средней полосы СССР в
больших количествах встречаются В. mycoides и В. cereus, для
черноземов характерны B.idosus и В. megaterium. Группа В. те-
sentericus — B.sublilis богато представлена в каштановых и
сероземных почвах, здесь обильны также споры В. megaterium.
Отмеченная закономерность не является строгой, в любой почве
кроме перечисленных могут быть обнаружены и представители
других видов бацилл. Кроме того, окультуривание почвы при-
водит к изменению в составе доминирующих форм.
Определенные тенденции обнаружены также в отношении и
географического распространения различных видов анаэробных
спорообразующих бактерий рода Clostridium. В северных поч-
вах наблюдается обильное развитие Cl. pasteurianum, в почвах
юга преобладает Cl. acetobutylicum.
Отмеченные выше закономерности наблюдаются и при изу-
чении почв вертикальных зон.
201
§ 2. БАКТЕРИАЛЬНЫЕ ЦЕНОЗЫ
ОСОБЕННОСТИ МИКРО1 IF.I ЮЗОВ
В некоторых экстремальных условиях формируются биоце-
нозы, состоящие только из бактерий, например в биотопах
с температурой выше 75°C или в насыщенных растворах солей.
Изучение бактерий-экстремофилов, населяющих такие ценозы,
является одной из первоочередных задач общей микробиологии,
поскольку они иногда обладают уникальными свойствами.
Бактериальные ценозы могут быть автотрофными, когда по-
ступление органического вещества обеспечивается только са-
мими бактериями, гетеротрофными или смешанными. В боль-
шинстве автотрофных ценозов органическое вещество продуци-
руется главным образом фототрофными формами, и только в
океанических гидротермах биоценоз существует исключительно
за счет хсмолитотрофных бактерий.
Ведущая роль во многих автотрофных ценозах принадлежит
цианобактериям. Цианобактериальные, маты (ковры) являются
основой сообществ бактерий горячих источников.
Цианобактериальные сообщества лагун с повышенной или
варьирующей соленостью в последние годы привлекают боль-
шое внимание исследователей, так как являются предшествен-
никами так называемых строматолитов — слоистых карбонатных
пли силикатных образований биогенного происхождения, про-
слеживающихся иа всем протяжении геологической истории
Земли.
Значительная роль в синтезе органического вещества при-
надлежит цианобактериям в некоторых ценозах смешанного
типа. Около 60% первичной продукции океанов обеспечивается
деятельностью нанонланктонных цианобактерии, по системати-
ческой принадлежности близких к цианобактериям из рода Sy-
nechococcus. Это соответствует приблизительно годовой про-
дукции органического вещества биосферы. В пресноводных
экосистемах анаэробные фототрофные бактерии дают 13—75%
первичной продукции.
В состав бактериальных ценозов всегда входят виды де-
структоров, осуществляющих разрушение органического субст-
рата. Нерастворимые крупномолекулярные биополимеры разру-
шаются гидролитическими микроорганизмами. В результате
гидролиза полимеров образуются низкомолекулярные соедине-
ния, которые прежде всего используются самими гидролитиче-
скими микроорганизмами. Однако высокая подвижность обра-
зующихся веществ приводит к их частичному рассеиванию из
мест гидролиза, что обеспечивает возможность развития так
называемой микрофлоры рассеяния, представители которой не
способны гидролизовать исходный материал и довольствуются
низкими концентрациями питательного субстрата.
202
Многие формы бактерий, относящиеся к микрофлоре рас-
сеяния, являются олиготрофными, т. с. обладают рядом приспо-
соблений к существованию в условиях низких концентраций
пищи (см. гл. 2). Характерными компонентами аэробной мик-
рофлоры рассеяния являются спириллы, а анаэробной — спиро-
хеты. К микрофлоре рассеяния относятся бактерии, окисляющие
молекулярный водород и летучие жирные кислоты, продуцируе-
мые анаэробами.
Развитие экосистемы, в процессе которого происходит сме-
на ценозов, обозначают термином сукцессия (лат. successio —
преемственность, наследование). Этот процесс упорядочен и
предсказуем.
Бактериоценозы кишечного тракта животных, водоемов, почв
и мно»"ие другие, если рас-
сматривать их в целом, харак-
теризуются значительной ста-
бильностью. Численность орга-
низмов, составляющих популя-
ции тех или иных видов, вхо-
дящих в данный ценоз, под-
держивается в определенных
пределах. Внесенные в ценоз
клетки посторонних бактерий
либо отмирают, либо их
численность через некоторое
гэемя стабилизируется (рис.
39)..
)Во многих случаях сукцес-
сии характеризуются следую-
щей общей закономерностью.
Когда система молода и число
факторов, определяющих ее
структуру, невелико, в ней
преобладает ограниченное ко-
личество так называемых
Рис. 39. Динамика численности
популяций (я) клубеньковых бак-
терий (/), актипомицета (2), арт-
робактера (3) и кишечной палоч-
ки (4), внесенных в почву (по:
Кожевни, 1985).
г-стратегов — организмов, скорость размножения которых при
условии изобилия пищи высока. В результате их жизне-
деятельности среда становится все более неоднородной — ко-
личество факторов, воздействующих на систему, возрастает.
«Зрелая» система образована большим числом разнообразных
видов, численности популяций разных видов выравнены за счет
того, что r-стратсгов становится меньше, а количество медлен-
но растущих организмов с повышенной конкурентоспособно-
стью — К-стратегов, увеличивается.
По наблюдениям II. А. Кожевина и Д. Г. Звягинцева, о со-
стоянии почвенного ценоза микроорганизмов можно судить, со-
поставляя численность микроорганизмов, определяемую в посе-
вах образцов на питательные среды и полученную при прямом
203
микроскопическом учете непосредственно в природных образцах.
Минимальное расхождение в полученных результатах, как пра.
вило, характеризует «молодую» систему, в которой преобла-
дают г-стратсги, а максимальное — «зрелую» систему с большим
числом 1<-стратегов.
Ценозы микроорганизмов, населяющих отмершие растения,
испражнения животных или их трупы и т. п„ подвержены отно-
сительно быстрой смене, их стабилизации не происходит.
Ю, Одум определяет такие сукцессии, как «катящиеся под гору».
Они характеризуются рядом переходных стадий понижающегося
энергетического градиента. Существенное значение в эволюции
таких систем может иметь накопление продуктов метаболизма
бактерий. Относительно хорошо изученной системой такого
рода является микрофлора, раз-
вивающаяся при силосовании
растительной массы. Развитие
экосистемы здесь проходит ряд
фаз:
1.	Преимущественное размно-
жение аэробных бактерий, вхо-
дящих в состав эпифитной ми-
крофлоры силосуемых растений.
2.	Развитие молочнокислых
Рис. 40. Динамика размножения кокко-
видных (1) н палочковидных (2)
форм молочнокислых бактерий в про-
цессе созревания силоса (по: Квасни-
ком, 1960).
стрептококков и представителей семейства Enterobacteriaceae.
В растительной массе накапливаются молочная и уксусная ки-
слоты.
Две первые стадии очень непродолжительны.
3.	Развитие лактобацилл — активных кислотообразоватслсй.
Эта фаза наиболее продолжительна и является определяющей
в созревании силоса. Число клеток лактобацилл сначала возра-
стает, а затем падает (рис. 40),
4.	В силосе с недостаточно низким значением pH (выше 4,2)
начинается развитие бактерий рода Clostridium, использующих
оставшиеся углеводы и молочную кислоту и образующие мас-
ляную кислоту. В результате происходит постепенное падение
кислотности, и начинается развитие гнилостных микроорганиз-
мов. Силос, содержащий достаточно молочной кислоты, чтобы
активность микроорганизмов была в нем угнетена, оказывается
законссрвироваиным.
Антропогенные ценозы бактерий — микроценозы, образовав-
шиеся в результате человеческой деятельности. К такого рода
сообществам относятся, например, ценозы бактерий, развиваю-
204
щихся в кисломолочных продуктах. Хотя молоком питаются де-
теныши всех млекопитающих, условия для образования просто-
кваши, сметаны и т. п. могли возникнуть только в результате
развития скотоводства и получения молока как продукта. Как
само сообщество, так, по всей вероятности, и многие виды мо-
лочнокислых палочек возникли сравнительно недавно в резуль-
тате эволюции бактерий под воздействием человеческой дея-
тельности. В настоящее время бурное развитие, микробиологи-
ческой промышленности приводит к возникновению многочислен-
ных ценозов промышленных установок. Изучение экологии про-
мышленных микроорганизмов является актуальной задачей бу-
дущих исследований.
МПКРОЦЕНОЗЫ ПРЕСНЫХ ВОДОЕМОВ
Экосистемы пресных водоемов могут быть весьма разнооб-
разными. Относительно подробно исследовано микронаселение
озер. Во многих озерах наблюдается явление стратификации
(лат. stratum — настил, слой, facere —делать), заключающееся
в распределении по вертикали слоев воды различной плотности
(рис. 41). Это обусловливает целый ряд физических, химических
и биологических процессов. Обычно нижний слой воды бывает
наиболее холодным и содержит больше растворенных солей. В
пресноводных озерах, расположенных в зоне умеренного клима-
та, стратификация обычно наблюдается, если глубина озера не
менее 10 м. В течение зимы происходит перемешивание всей
водной массы, но после таяния льда верхний слой воды в озе-
ре прогревается. Теплая вода становится менее плотной и не пе-
ремешивается с водой нижнего, более холодного, слоя. Верх-
ний слой воды обозначают как эпилимнион (греч. epi — на,
над, liinne — озеро). Нижний слой воды — гиполимнион (греч.
hypo — внизу, под) —слой более плотной, холодной и неподвиж-
ной воды. Б промежуточном слое — металимнионе (греч. me-
ta— после, за, через)—создается градиент температуры — тер-
моклин и химических соединений — хемоклин.
Первой четко выраженной экологической нишей в эпилим-
нионе является поверхностная пленка воды. В пей концентриру-
ются питательные вещества, преимущественно липиды, поступа-
ющие сюда из воды и воздуха. Здесь в массовом количестве
скапливаются прикрепляющиеся к границе раздела фаз микро-
организмы, прежде всего бактерии. Концентрация бактерий в
Поверхностной пленке во много раз выше, чем в, подлежащем
слое воды. Совокупность организмов, обитающих в поверхност-
ной пленке воды, определяют как нейстон (греч. neusteon—спо-
собный плавать). К нейстонным бактериям относятся виды рода
Caulobacter, Hyphomicrobium и прежде всего Nevskia ratnosa.
Эта своеобразная бактерия была описана в 1892 г. русским бо-
таником А. С. Фаминциным, который обнаружил ее в поверх-
205
Чробукция органического вещее тли
аэробными фототрофами, S том
числе цианобактериями
Эпилимнион
вторичная продукция органического
Вещестба бактериями - деструкторами
а
Iер:и а клин
Хемоклин
н
Гиполимиион
1;Л	']
Продукция органического беицестба
анаэробными бактериями, 8 том
числе Фототрефными
Анаэробные процессы деградации
органических остатков, сульфатре-
дукция, денитрификация
Рис. 41. Схема экосистемы пресноводного озера.
Объяснения в тексте.
постной пленке воды в аквариуме с невской водой. Клетки бак-
терии прикрепляются к поверхностной пленке воды при помощи
слизистых стебельков, которые выделяются сбоку клетки. При
делении клетки делятся и стебельки, и в результате образуют-
ся своеобразные деревца (рис. 42).
В верхней части эпилимниона происходит синтез органиче-
ского вещества в результате осуществляемого водорослями и
цианобактериями фотосинтеза. Сюда также поступают экзоген-
ные органические вещества. Часть организмов и органические
остатки оседают, скапливаясь в мсталимнионе и на дне водое-
ма, где происходит их разложение. Потребление при этом кис-
лорода способствует созданию у дна водоема, а затем и в ги-
полимнионе анаэробных условий. В результате анаэробных
процессов накапливаются различные
продукты брожений, в том числе мо-
.пекулярный водород, метан, ссроводо-	у
род, а также углекислота. Создается
концентрационный градиент этих сое-
динений, газы иногда поднимаются со
дна в виде пузырей. Окисление рас- Л ?	®
творенного метана метилобактсриями Т
часто является основным процессом,
в котором потребляется кислород.
Продукты брожений, в том числе во- Вис. 42. , Морфология
дород, служат субстратами для суль- неистонной^ бактерии
фатредукторов, деятельность деннтрн-	‘ evsaa-
фицирующих бактерий приводит к на-
коплению нитритов.
Цианобактерии наряду с фототрофными эукариотами разви-
ваются по всей толще эпилимниона, но особенно интенсивно в
нижней его части. Самыми обычными здесь видами являются
Oscillatoria rubescens, Osc. agardhii, Aphanizomenon flos-aquae,
Microcystis aeruginosa. В эпилимнионе часть клеток фототро-
фов поедается беспозвоночными, часть отмирает, их остатки
обеспечивают возможность развития гетеротрофных бактерий
и других микроорганизмов — вторичных продуцентов.
При благоприятных условиях, создаваемых, в частности,
термоклином в гиполимнионе, происходит бурное развитие ана-
эробных фототрофных бактерий, главным образом пурпурных.
Первичная продукция анаэробных фототрофов, как уже упоми-
налось, может быть весьма значительной. Образующаяся в про-
цессе фотосинтеза элементарная сера и сульфаты тут же ис-
пользуются сульфатредукторами. В мсталимнионе содержание
биогенных минеральных веществ выше, чем в эпилимнионе, по
развитие аэробных форм лимитировано недостатком кислоро-
да. Некоторые активно развивающиеся здесь цианобактерии,
Например Oscillatoria limnetica, устойчивы к сероводороду и
способны к аноксигенному фотосинтезу за счет использования
207
сероводорода в качестве восстановителя углекислоты. У ниж-
ней границы кислородной зоны могут развиваться аэробные
серобактерии.
Озера с бурным развитием фототрофов и четкими граница-
ми эпи- и гиполимниона обозначают как эвтрофные (греч. ей—.
хорошо, trophe—питание), озера, бедные элементами минераль-
ного питания и соответственно организмами, — как олиготроф-
ные* (греч. oligos — немногий). В настоящее время широкое
распространение получил процесс эвтрификации водоемов, свя-
занный с человеческой деятельностью. В некоторых случаях это
может приводить к катастрофическим последствиям, особенно
при массовом развитии цианобактерий, вырабатывающих ток-
сины. Решающее значение для процесса эвтрификации имеет
поступление в водоемы соединений фосфора.
Особые условия для развития бактерий создаются в иловых
отложениях. Зона ила характеризуется резким падением окис-
лительно-восстановительного потенциала по вертикали, высокой
численностью бактерий и экологических ниш. Состав ценозов
поверхностного слоя ила определяется прежде всего кислород-
ным режимом придонного слоя воды. При отстутствии в придон-
ном слое кислорода в иле проходят последовательные стадии
анаэробного распада оседающих органических остатков. Про-
цесс завершают метаиобразующие и сульфатредуцирующие бак-
терии.
Пели в придонном слое есть кислород, в поверхностных зо-
нах ила создается градация микроаэрофильных условий, обра-
зуются узкие микрозоны, характеризующиеся различными зна-
чениями окислительно-восстановительного потенциала и разной
микрофлорой. /Микрозональность развития иловых микроорга-
низмов была обнаружена и исследована Б. В. Перфильевым.
В иле расположенного в окрестностях Ленинграда озера при по-
мощи методов капиллярной микроскопии Б. В. Перфильев об-
наружил 8 микрозон с разным «населением» на протяжении
2 мм по вертикали. В первой, верхней, зоне преобладали диато-
мовые водоросли, во второй — шло окисление железа благодаря
развитию Gallionella ferruginea и Ochroblum ledum. В третьей
микрозоне находились колонии хищной бактерии Didyobader
тарах, представляющие собой образованные клетками округлые
сетчатые мешочки. Подвижные колонии D. тарах захватывали
клетки микроорганизмов, убивали их и переваривали. В чет-
вертой, очень узкой, микрозоне шло развитие бактерий, морфО'
логически сходных с азотобактером, в пятой — преобладали
бесцветные нитчатые бактерии. Шестую микрозону занимали
нитчатые сложно перекрученные колонии бактерии, описанной
Б. В. Перфильевым как Cydobadcr и, видимо, также хищной,
седьмую — переплетающиеся цепочки клеток нитчатой бактерии
* Олиготрофные бактерии, см. с. 98.
208
JJeskeella bifida. Восьмая микрозона находилась на границе с
восстановительной зоной, содержащей сульфиды, и была насе-
лена подвижной серобактерией Thiospira.
МИКРОЦЕНОЗЫ ПОЧВЫ
Почвенный покров бесспорно является основным депо раз-
нообразных бактерий па Земле. Некоторые бактерии являются
типичными обитателями почвы и обычно не обнаруживаются в
водной среде или в составе микрофлоры макроорганизмов. Это,
например, многие представители порядков Actinomycetales и
Myxobacterialcs. С другой стороны, для микрофлоры почвы не-
характерны спирохеты, виды бактерий, снабженных газовыми
: вакуолями, метапобразующие бактерии и многие другие ана-
эробы. Своеобразием микрофлоры почвы является то, что здесь
всегда присутствуют клетки, для которых почва вообще не яв-
ляется местом активного развития, или такие клетки, развитие
которых может происходить лишь в редкие и случайные перио-
ды обогащения почвы подходящим субстратом. Для микроор-
ганизмов целинных почв таким случайным субстратом может
быть навоз. Его попадание в почву вообще закономерно, но для
данного пространственно ограниченного участка это событие
вообще может никогда не произойти. Ограниченное размноже-
ние некоторых спорообразующих форм, например токсигенных
видов Clostridium, возможно в почве и в кишечном тракте жи-
вотных, но их бурное развитие происходит лишь в трупах жи-
вотных, убитых этими бактериями или независимо от них. Толь-
ко в состоянии покоя в почве находятся споры термофильных
бацилл, минимальная температура для развития которых выше
температуры почвы. Еще в прошлом веке ученые образно опре-
делили состояние, в котором находятся эти клетки, как «состоя-
ние бдительного ожидания».
Почва представляет собой весьма гетерогенную среду. В
каждой конкретной почве складываются своеобразные микроб-
ные ценозы, однако в соответствии с природой почвы как эле-
мента биосферы эти ценозы всегда имеют определенную струк-
туру.
В 20-е годы нашего столетия С. Н. Виноградским были
сформулированы представления о зимогенной (греч. zyme— за-
кваска, genesis — происхождение) микрофлоре почвы, развива-
ющейся только при использовании привносимых в почву легко
разлагаемых соединений, и автохтонной (греч. autos — сам,
chton — земля) микрофлоре, развивающейся медленно при раз-
ложении гумуса. На схеме структуры микробного ценоза почвы,
предложенной Е. Н. Мишустиным (рис. 43), отмечена группа
зимогенной микрофлоры, использующая в аэробных и анаэроб-
ных условиях разнообразные растительные и животные остат-
ки. Микроорганизмы, разлагающие перегной (автохтонная ми-
14 Заказ № 164
209
Рис. 43. Структура микробного ценоза
почвы (по: Мишустин, 1982).
ci — зимогенная н б — автохтонная мнкооЛло-
ра, в — олиготрофные н <? — автотпоЛшые бак-
терпи.
крофлора), являются различными сапрофитами, способными на-
ряду с простыми органическими соединениями ассимилировать,
циклические перегнойные вещества почвы. Систематическое по-
ложение входящих сюда организмов разнообразно, но сущест-
венную роль играют представители рода Nocardia. Олиготрофы
разлагают остаточные продукты деструкции различных органи-
ческих соединений, а автотрофы используют конечные продукты
микробного распада. Из них особое значение в условиях почвы
имеют нитрифицирующие бактерии. Соотношение указанных
групп и их состав варьируют в отдельных типах почв.
Почва представляет собой сложную многокомпонентную си-
стему, в которой имеются микрозоны, где состав и концентра-
ция различных органических и минеральных веществ неодина-
ковы, Размножение зимогенных микроорганизмов происходит
быстро, но в течение непродолжительного времени, пока не ис-
черпан соответствующий субстрат. Добавляя к почве те или
иные органические вещества, можно стимулировать развитие
соответствующих групп зимогенных бактерий, проследить дина-
мику их развития и т. и. В наше время эти представления раз-
рабатываются Д. Г. Звягинцевым и его учениками. Как уже
говорилось, в современной экологической терминологии приня-
то подразделять микроорганизмы на г-стратегов, быстро разви-
вающихся за счет легкодоступных соединений, содержащихся в
высоких концентрациях в среде, и К-стратегов, способных к
медленному росту за счет питательных субстратов, имеющихся
210
в незначительных концентрациях, уже неспособных обеспечить
рост r-стратегов. Попятно, что зимогенная микрофлора пред-
ставлена прежде всего г-стратсгами.
Д. Г. Звягинцевым разрабатывается концепция микробного
пула (англ, pool — объединенный резерв), в соответствии с ко-
торой в почвах содержится огромный избыточный пул или за-
пас микроорганизмов, не обеспеченных органическим веществом
и другими элементами питания. Величина этого пула очень
велика: в почвах содержится от 1 до 10 или даже нескольких
десятков миллиардов клеток на грамм, а живая масса бакте-
рий— от сотен до тысяч килограммов на гектар. Поступающее
в почву органическое вещество может обеспечить в среднем не
более нескольких десятков генераций бактерий за год. Микроб-
ный пул обусловливает поддержание гомеостатического состоя-
ния почвы, т. е. постоянства химических и других свойств, ха-
рактерных для данной почвы. При поступлении в почву све-
жего органического вещества или внесении удобрений н процес-
сы их трансформации включаются микроорганизмы, которые
должны привести систему почвы в состояние равновесия. В
условиях эксперимента может быть использован метод инициа-
I ции развития почвенных микроорганизмов, как это делал еще
1 С. Н. Виноградский. После внесения в почву крахмала — легко-
усвояемого источники энергии — можно наблюдать развитие
। инициированного сообщества, рост доминирующих форм и сук-
I цессию микробной экосистемы.
Постоянное существование в почве пула микроорганизмов
возможно благодаря тому, что здесь поддерживается также
пул легкодоступных органических веществ. В почве все время
находятся сахара, органические кислоты и спирты, аминокисло-
ты, основания и т. д. Их пул не даст клеткам микроорганизмов
погибнуть в периоды, когда в почву или микрозону не поступа-
ют свежие питательные вещества. Пул метаболитов образуется
в значительной мере в результате активности имеющихся в
почве внеклеточных гидролитических ферментов.
Существенной особенностью почвы как среды обитания мик-
роорганизмов является ее гетерогенность, микрозоны разделены
здесь в пространстве н во времени? поэтому почва представляет
собой множество экологических ниш. Микрозональность опре-
деляется локальным поступлением органических остатков и
корневых выделений растений, варьированием значений pH, Eh
и т. и. Благодаря микрозональности в почве одновременно мо-
гут идти разнообразные и иногда несовместимые процессы —
аэробные и анаэробные, автотрофные и гетеротрофные, проте-
кающие при низких и высоких значениях pH.
Считают, что каждый идущий в почве процесс круговорота
элементов осуществляется несколькими дублирующими друг
друга формами микроорганизмов, т. е. в почве функционируют
виды-дублеры. Таким образом, для почвы нс соблюдается
14
211
принцип Вольтерры— Гаузе о том, что два вида не могут за-
нимать в экосистеме одну и ту же экологическую нишу. Прав-
да, реальные экологические ниши тех или иных видов бакте-
рий еще большей частью неизвестны.
§ 3.	ЭКОСИСТЕМЫ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИИ
Среди антропогенных микробных экосистем широкое распро-
странение получили экосистемы, связанные с процессами очи-
стки сточных вод, прежде всего в аэротенках и метантенках.
Аэротенки в настоящее время являются основными соору-
жениями, служащими для очистку сточных вод. Аэротенки бы-
вают двух типов: вытеснители и сместители. В аэротенке-вытес-
нителе жидкость подается в начало аэротенка и выходит в его
конце, в аэротенке-смесителе она подается по всей длине
аэротенка с его широкой стороны и собирается в отводной ка-
нал, расположенный на противоположной стороне аэротенка.
В аэротенке-вытеснителе концентрация загрязнения на входе
значительно выше, чем на выходе, в аэротенке-смесителе по-
ступающая вода сразу смешивается со всем объемом воды
аэротенка, и существенного градиента концентрации загрязне-
ний не наблюдается. Очистка воды в аэротенках осуществляет-
ся при помощи активного ила. Активный ил представляет собой
коричневатые хлопья размером до нескольких миллиметров.
При отстаивании жидкости, взятой из аэротенка, он выпадает
в осадок. Частицы активного ила образованы преимущественно
синтезированными бактериями плотными полисахаридами, в
том числе клетчаткой. Полисахарид окружает бактериальные
клетки, частично активные, частично отмирающие. Активный
ил обладает высокой адсорбционной способностью, на поверх-
ности его частиц концентрируются поступающие со сточной
жидкостью мелкие частицы, клетки микроорганизмов и молеку-
лы растворенных веществ.
Содержимое аэротенка постоянно перемешивается поступаю-
щим воздухом. Сточная жидкость поступает в аэротенк и уда-
ляется из него непрерывно, время пребывания жидкости в
аэротенке . может быть весьма различным, обычно от
двух до нескольких десятков часов. Уже через несколько
минут контакта сточной жидкости с активным илом содержание
в ней растворенных веществ снижается более чем наполовину.
Из аэротенка жидкость поступает в отстойник, где активный
ил оседает на дно. Воду выпускают в водоем, а осевший актив-
ный ил частично возвращают в аэротенк — циркулирующий ак-
тивный ил, а частично отправляют на переработку — избыточ-
ный активный ил. Иногда циркулирующий активный ил перед
поступлением в аэротенк регенерируют — аэрируют некоторое
время без добавления сточной воды. При этом происходит оки-
212
сление растворенных и нерастворенных органических веществ,
содержавшихся в осевшем иле. Активный ил окисляет органи-
ческие вещества сточной жидкости. Процесс этот идет эффек-
тивно, если в составе стоков нет соединении, токсичных для
микрофлоры активного ила.
2	3
Рис. 44. Срезы частиц активного ила из аэротенка по очистке бы-
товых сточных вод.
1 — полутоикпс срезы, окрашенные толуидиновым синим; 2 — ультратоикнй
срез зооглеи, образованной изогнутыми клетками; 3 — скопление лизирую-
щихся клеток.
В состав ценоза активного ила входят самые разнообразные
микроорганизмы, кроме бактерий здесь развиваются грибы и
простейшие. Состав бактериального населения активного ила
разнообразен, но преобладают в нем палочковидные грамотри-
цательпые бактерии. Клетки бактерий либо заключены в поли-
сахаридные гранулы, либо находятся на их поверхности
(рис. 44), лишь сравнительно немногочисленные клетки нахо-
дятся во взвешенном состоянии. Полисахаридные гранулы обра-
213
зуются разными бактериями, но основное значение в этом про-
цессе приписывают грамотрицательной палочковидной бакте-
рии Zoogloea ramigera, близкой по свойствам к псевдомонадам.
В бедных средах, а также в сточной жидкости Z. ramigera об-
разует аморфные массы полисахарида, внутри которых нахо-
дятся делящиеся клетки этой бактерии. В процессе роста коло-
ний формируются характерные пальцевидные выросты полиса-
харида с содержащимися в нем бактериями. Z. ramigera иног-
да образует подвижные клетки, снабженные полярным
жгутиком. Способность к образованию зооглей с пальцевидны-
ми выростами является основной видовой характеристикой
Z. ramigera. Эта бактерия способна к окислению разнообразных
органических веществ, однако несомненно, что успешная рабо-
та ила зависит от активности разнообразных членов сообщества.
Иногда в массе активного ила начинает интенсивно размно-
жаться нитчатая бактерия Sphaerotilus natans. Нити заключе-
ны в слизистые чехлы и не включаются в частицы активного
ила. Это приводит к «вспуханию» ила, он плохо оседает в от-
стойниках, что нарушает ход очистки. Хотя вспухающий ил
обладает высокой окислительной способностью, развитие нитча-
тых бактерий в активном иле нежелательно.
Микроценозы активного ила могут быть различными в за-
висимости от особенностей химического состава сточных вод.
Очистка бытовых сточных вод активным илом обычно оказыва-
ется эффективной, для очистки промышленных сточных вод
иногда требуется их предварительная обработка для удаления
соединений, неперерабатываемых илом. Если в сточной воде
присутствуют какие-либо специфические соединения, необходи-
ма предварительная адаптация ила или искусственное внесение
в него клеток культур с известными свойствами. В настоящее
время ведутся работы по созданию искусственного ила на осно-
ве полимерных материалов, содержащих иммобилизованные
клетки специально селекционированных или созданных метода-
ми генной инженерии штаммов бактерий. Z. ramigera может
быть обнаружена не только в аэротенках, но и в различных пре-
сноводных водоемах, особенно загрязненных, где она образует
взвешенные в воде хлопья или слизистые обрастания на погру-
женных в воду предметах.
Аэротенки бывают разной конструкции. Обычно это длин-
ные проточные, резервуары глубиной 3—6 м, снабженные меха-
ническими или пневматическими устройствами для аэрации.
§ 4.	ПРИРОДНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ БАКТЕРИЙ
ОСОБЕННОСТИ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ
Под популяцией (лат. populns — народ, население) понима-
ют совокупность особей одного вида, обладающих общим ге-
нофондом и занимающих определенную территорию. Ценозы
214
или сообщества бактерий, населяющие те или иные субстраты,
образованы популяциями различных видов. Популяции бакте-
рий состоят из клопов, т. с. потомков отдельных клеток, разли-
чающихся совокупностью некоторых наследственных признаков,
отражающих внутривидовую изменчивость. В качестве маркера
определенных клонов в настоящее время стремятся использо-
вать их изоэнзи.мные спектры, поскольку эти признаки обычно
мало связаны с адаптационной изменчивостью и сравнительно
стабильны.
В бактериологии в качестве популяции часто рассматривают
лабораторную чистую культуру бактерий. Правомерность такой
трактовки дискуссионна, но результаты многих исследований
лабораторных чистых культур представляют большой интерес и
позволяют судить о некоторых механизмах, определяющих свой-
ства природных популяций соответствующих видов.
Популяции характеризуются общей численностью особей,
плотностью — числом особей на единицу площади или объема
среды, характером пространственного распределения клеток, а
также определенной структурой. Структура популяций прояв-
ляется в определенном количественном соотношении клеток раз-
ного возраста, размера и генотипа.
Понятие популяции является бдним из центральных в биоло-
гии, поскольку все виды живых организмов представлены в
природе конкретными популяциями. Существует понятие попу-
ляционной биологии как раздела биологии, изучающего общие
закономерности существования и эволюции популяций. Необхо-
димо однако иметь в виду, что популяции бактерий в отноше-
нии как структуры, так и изменчивости обладают рядом прин-
ципиальных особенностей.
Границы, объем и состав природных популяций бактерий
обычно определить весьма сложно. Это объясняется слабой раз-
работанностью соответствующих методических подходов, а так-
же недостаточной четкостью видовых критериев для многих ви-
дов бактерий. В течение последних лет получил распростране-
ние метод выявления клеток определенных форм непосредст-
венно в природном материале при помощи иммунофлуоресцен-
ции. К сожалению, для изучения особенностей состава и гете-
рогенности популяций он непригоден, и необходимо выделение
большого числа культур — клонов и сравнение их свойств в
лабораторных условиях. Таким образом, микробиолог может
сравнивать не отдельные особи, составляющие популяции, а
клоны, являющиеся лабораторными популяциями с присущей
им гетерогенностью.
Структура популяции тесно взаимосвязана с ее численно-
стью. Изучение динамики численности популяций — одна из
важнейших задач экологии. В многочисленных исследованиях
динамики численности лабораторных популяций бактерий были
установлены закономерности, которые хорошо знакомы любо-
215
му микробиологу. Динамика численности природных популяций
бактерий изучена значительно хуже.
Принципиально важной особенностью природных бактери-
альных популяций, влияющей на характер их структуры, явля-
ется способность бактерий и течение длительного времени нахо-
диться в неактивном состоянии, в состоянии анабиоза. Уже го-
ворилось о пулах почвенных бактерий. Спорообразующие бакте-
рии существуют в природе преимущественно в виде неактивных
спор. К сожалению, пока нет методов, которые позволили бы
судить о том, сколь долго проросшая на питательной среде спо-
ра находилась в состоянии покоя.
Принципиально невозможны условия, в которых вообще
не происходило бы отмирание находящихся в анабиозе организ-
мов. Неизбежны нарушения физической структуры образующих
их соединений. Изучение ископаемого органического вещества
свидетельствует, например, о медленно идущих процессах прев-
ращения части нормальных L-аминокислот в D-формы. Время
рацемации в природных условиях составляет порядка 105 лет.
Некоторые аминокислоты оказываются вообще неустойчивыми
во времени. Например, аргинин, гистидин и некоторые другие
аминокислоты полностью исчезают из органического вещества
через 107 лет.
Скорость физических процессов деградации органического
вещества в сильной степени зависит от температуры. Расчеты,
основанные, правда, на весьма гипотетических предпосылках,
свидетельствуют о том, что при комнатной температуре (20°C)
максимальная продолжительность сохранения жизнеспособности
организма в состоянии анабиоза может составлять от 15 тыс.
до 1,3 млн лет. При отрицательных значениях температуры этот
срок резко возрастает, достигая 40 и более миллиардов лет
при—40°C. Если подобные расчеты справедливы, то очевидно,
что возраст бактерий, хранящихся при низкой температуре, мо-
жет быть соизмерим с возрастом Вселенной.
Практическое определение возраста бактерий, находящихся
в состоянии анабиоза на поверхности Земли, сопряжено со мно-
гими методическими затруднениями и легко может приводить
к ошибкам. Имеющиеся па этот счет данные все же свидетель-
ствуют о возможности очень длительного сохранения бактерий
в состоянии анабиоза. Так, по данным исследования, проведен-
ного Д. Г. Звягинцевым с сотрудниками, численность бактерий
в породах и погребенных почвах тундровой зоны Колымской
низменности, находящихся в замерзшем состоянии около 1 млн
лет, соответствует 103— 104 иногда до 107 клеток/г. Это грам-
отрицательные бактерии, бациллы и актииомицеты. Характер
микрофлоры здесь сходен с современной микрофлорой тундро-
вых почв исследованного района. Нет оснований думать, что
«оживление» бактерий после столь долгой спячки возможно
только при помощи ученых. Очевидно, что существует и суще-
216
ствовало множество других возможностей их оживления. По-
этому несомненно, что в природные популяции бактерий входят
клетки не только разного индивидуального, ио и разного эво-
люционного возраста.
Имеющиеся сведения о структуре природных популяций
бактерий весьма ограничены.
ПОПУЛЯЦИИ BACILLUS MEGATER1UM
В уже упомянутом нами исследовании С. В. Летуновой и
В. В. Ковальского (см. гл. 2) была определена внутринопуля-
ционная и экологическая изменчивость пороговых концентраций
ряда элементов, оптимальных для роста или допускающих
рост В. megaterium. Этот вид образует характерные колонии
на агаре, и поэтому относительно просто получить нужное
число его штаммов из природных образцов. Наиболее подробно
изучено отношение бактерий к бору. Для различных штаммов
отмечены или узкие, или относительно широкие интервалы кон-
центраций буры, при которых их рост был оптимальным. У
штаммов В. megaterium, выделенных из бурой пустынно-степ-
ной почвы Западного Казахстана, обогащенной бором (3- 10~2%
бора), предельные концентрации буры, при которых возможен
их рост, колебались от 0,8 до 28 г/л, верхняя пороговая концен-
трация составила от 0,02 до 14 г/л. У штаммов популяции
В. inegaterlum, обитающей в черноземе (2,3-10-3% бора), пре-
делы концентраций буры, допускащис рост, были от 0,4 до 12 г/л,
в дерново-подзолистой почве (1 • 10~3% бора) — 0,8 до 12 г/л.
18,4% от общего числа штаммов, выделенных из дерново-под-
золистой почвы, растут при концентрации буры до 5 г/л, у
37,5% штаммов, выделенных из черноземной почвы, содержа-
щей в 2,3 раза больше бора, этот максимум 7 — 8 г/л. Для
29% штаммов, выделенных из бурой пустыпно-eiеп.чой почвы с
избытком бора, предельная концентрация буры, допускающая пх
рост,— 12 г/л. Некоторые штаммы растут при концентрации
буры 28 г/л.
Определена также внутрипопуляционная изменчивость поро-
говых концентраций урана, оптимальных для роста штаммов
В. megaterium, которые обитают в иле озера Иссык-Куль, обо-
гащенном этим элементом. У 48% штаммов нижняя пороговая
концентрация урана, оптимальная для роста, 2,8-10-7%, верх-
няя— выше 8,3-10“4%; у 53% штаммов нижняя пороговая
концентрация — 2,8-10“4%, верхняя — выше 8,3-10_,1%. У 10%
штаммов эти величины равны 2,8-10 7% и около 2,8-10-5%
соответственно.
Приведенные данные свидетельствуют о гетерогенности .по-
пуляций бактерий. При этом пределы внутрипопулянноннэй
изменчивости и количественные характеристики се находятся в
определенном соответствии с особенностями экологических ус-
217
ловий данного местообитания, хотя такая связь не является
простой. Как видно из приведенных выше значений концентра-
ций элементов, в составе популяции бактерий, не сталкиваю-
щейся с повышенным содержанием данного элемента, тем не
менее присутствуют устойчивые формы, переносящие эти эле-
менты в концентрациях несравненно более высоких, чем те, с
которыми они встречаются в природе. Некоторые штаммы из
такой популяции значительно устойчивее ряда штаммов из по-
пуляции, развивающейся при повышенном содержании соответ-
ствующего элемента.
Гетерогенность адаптивных свойств представителей популя-
ций бактерий является важнейшей предпосылкой возможности
их эволюции при резких изменениях тех или иных факторов
среды.
ПОПУЛЯЦИИ ESCHERICHIA COLI
Е. coli обитает в кишечнике теплокровных животных и чело-
века. Во внешней среде ее клетки могут сохраняться иногда
довольно долго и даже размножаются, но оказываются неконку-
рентноспособными и постепенно погибают. Поэтому кишечный
тракт животного можно рассматривать как ареал для опреде-
ленной популяции кишечной палочки, причем у разных индиви-
дов эти популяции различаются.
Е. coli считают условно патогенной бактерией. Свойства пато-
генности обычно определяются плазмидными генами. По понят-
ным причинам именно такие штаммы привлекают особое вни-
мание исследователей. Несомненно, однако, что кишечные па-
лочки, населяющие кишечник большинства организмов, не свя-
заны с патологическими процессами, и именно такие популяции
наиболее стабильны.
Из различных образцов были выделены и исследованы тыся-
чи штаммов кишечной палочки.
При изучении возможности использования в качестве источ-
ников углерода или азота 84 органических соединений 62 штам-
мами кишечной палочки различного происхождения было обна-
ружено, что кроме глюкозы и глюкозамина нет ни одного веще-
ства, которое могло бы быть использовано всеми изученными
штаммами. Не оказалось также штаммов, трофические потреб-
ности которых были бы идентичными. Спектр усваиваемых ки-
шечной палочкой соединений оказался значительно уже, чем,
например, для псевдомонад. Между штаммами обнаруживают-
ся антигенные различия, известен 171 тип О-антигена (липопо-
лисахарид внешней мембраны), около 80 типов капсульного
К-антигена и 56 типов жгутикового Н-аитигена. Наблюдается
значительное варьирование белков-поринов внешней мембраны
(ОМР-белки). Молекулы одних и тех же ферментов, выделен-
ные из разных штаммов, могут различаться электрофоретиче-
ской подвижностью.
218
Генетическое разнообразие штаммов Е. coli обнаруживается
и при использовании прямых методов изучения ДНК. Степень
гомологии ДНК разных штаммов, выявляемая при гибридиза-
ции ДНК — ДНК, может несколько варьировать. У разных
штаммов обнаружены различия размеров фрагментов ДНК
после обработки определенными рестриктазами, что отражает
особенности положения па хромосоме сайтов рестрикции. Раз-
личия такого рода могут быть связаны как с изменениями ге-
нов, проявляющимися в фенотипе, так и в значительной степени
с изменениями в ДНК, не приводящими к изменению фенотипа.
Значительный вклад в различия такого рода вносят изменения
основании, определяющие свойства изоферментов, а также по-
считываемые инсерциоппые элементы (IS-insertion sequences).
Последние широко представлены в хромосоме и плазмидах Е.
coli, и у разных штаммов их состав и положение варьируют.
Результаты изучения этих элементов, в частности, свидетельст-
вуют также о значительной генетической изоляции штаммов
кишечной палочки от родственных им форм, поскольку эти эле-
менты, характерные для штаммов Е. coli, очень редко обнару-
живаются у других видов кишечных бактерий, в том числе у
родственных Е. coli сальмонелл.
Значительное разнообразие штаммов кишечной палочки оп-
ределяется также различиями в числе и характере имеющихся
в клетках плазмид.
При всем варьировании свойств исследованных штаммов
Е. coli они, однако, нс представляются скоплениями форм со
случайными сочетаниями варьирующих признаков. Так, в од-
ном из исследований было установлено, что 18 из 20 выделен-
ных ферментов обнаружили полиморфизм при электрофорезе,
однако у независимо выделенных штаммов были обнаружены
ферменты, идентичные или очень близкие по характеру электро-
фореграмм, что было бы статистически немыслимо, если бы все
возможные сочетания были равновероятны. Кроме того, отдель-
ные вновь выделенные штаммы оказались очень близкими или
даже идентичными известным лабораторным штаммам, в том
числе штаммам В и К-12; последний был выделен более 50 лет
тому назад. Это может объясняться существованием в природе
ограниченного числа клонов Е. coli, генетический обмен между
которыми редок. В настоящее время пользуется популярностью
представление о клональной структуре природных популяций
бактерий. Согласно таким представлениям время от времени
происходит бурное развитие отдельных клонов (штаммов), по
тем или иным причинам получивших существенное адаптивное
преимущество. Другие формы постепенно частично или полно-
стью отмирают. Потомки таких штаммов потом в течение не-
которого времени преобладают в популяциях, но и могут быть
в свою очередь вытеснены при появлении новых более приспо-
собленных форм или при существенном изменении условий.
219
Природные популяции Е. coli состоят из ряда клопов, раз.
личающихся генетически, причем состав популяции постоянно
изменяется. Наличие плазмид определяет возможность актив-
ного обмена некоторыми генами между членами популяции, од-
нако имеющиеся к настоящему времени данные свидетельству,
ют скорее о том, что генетическое разнообразие и изменчивость
генофонда популяции Е. coli у данного хозяина зависит глав-
ным образом от инвазии новых генотипов Е. coli.
Как уже было отмечено, кишечные палочки составляют по-
стоянную, но незначительную часть (доли процента) бактерии,
обитающих в нашем кишечнике. В состав популяции входят ге-
нетически различные клоны. Например, среди 650 штаммов,
выделенных у одного индивида за 14 месяцев наблюдений, было
выявлено 10 серотипов. В другом случае среди 550 клонов, вы-
деленных в течение 11 месяцев, были обнаружены 53 различных
электрофоретических типа по 13 ферментов. Большинство ва-
риантов выявляется только однажды или, во всяком случае, в
течение очень непродолжительного периода времени. Такие
штаммы определяют как транзитные. Постоянно выделяемые
штаммы определяют как резидентные, в составе популяции ре-
зидентные штаммы поддерживаются в течение нескольких не-
дель, до года. У разных людей резидентные штаммы разные и
состав популяции Е. coli в различной степени изменчив.
В данный момент в составе популяции один из штаммов чи-
сленно резко преобладает, и только около 10% популяции
представлены другими 2— 3 штаммами. Вновь появляющиеся
штаммы обычно существенно отличаются от предшествующих и,
следовательно, имеют экзогенное происхождение, но иногда но-
вые штаммы мало отличаются от предшествующих и, вероятно,
возникают эндогенно в результате мутаций.
Для внедрения в популяцию нового штамма необходимо,
чтобы он был представлен значительным числом клеток. Счита-
ется, что для этого необходимо около 10е клеток. Поэтому не-
посредственная передача штамма от человека к человеку мало
вероятна, хотя при длительном сосуществовании двух человек
между ними неизбежно обнаруживается обмен штаммами ки-
шечной палочки. По данным английских авторов, основным ис-
точником новых штаммов кишечной палочки для человека обыч*
но служит сырое мясо животных, в том числе птиц, неизбежно
загрязненное этими бактериями. Штаммы передаются также
через воду, используемую для мытья посуды. Внедрение новых
штаммов кишечной палочки происходит особенно активно при
пользовании услугами учреждений общественного питания, тог-
да как при питании в домашних условиях поступление новых
штаммов происходит значительно реже. Осуществляя специаль-
ный контроль принимаемой пищи, можно резко снизить коли-
чество экзогенно поступающих в кишечник штаммов кишечной
палочки.
220
В отношении генетической неоднородности, выявляемой по
электрофоретической подвижности ферментов, некоторых других
бактерий, в частности о Haemophilus influenzae, Yersinia ruc-
keri, Legionella pneumophila, известно меньше, чем о популяци-
ях Е. coil. Результаты такого рода работ подтверждают пред-
ставления о клональной структуре природных популяций бак-
терий.
ПОПУЛЯЦИИ ПАТОГЕННЫХ БАКТЕРИИ
Взаимодействия паразитических бактерий с хозяевами про-
исходят на уровне их популяций, которые неоднородны. Попу-
•ляции хозяина гетерогенны по степени резистентности их пред-
ставителей, зависящей от различных факторов, нс связанных с
воздействием паразита, и но степени их иммунитета, выраба-
тываемого в процессе такого воздействия. Например, в челове-
ческих популяциях обычно насчитывается 7—10% постоянных
носителей стафилококка. Это люди с врожденным дефицитом
биосинтеза сывороточных иммуноглобулинов А. Способность
организма к выработке иммунитета также генетически детерми-
нирована и у разных людей не одинакова. Распределение осо-
бей в популяции хозяина по ряду признаков, характеризующих
степень их восприимчивости к паразиту, может не соответство-
вать нормальному распределению. Основная часть популяции
паразита может быть связана с небольшой долей особей хо-
зяина.
Популяции бактерий-паразитов гетерогенны но многим при-
знакам, в конечном счете определяющим степень их вирулент-
ности. Гетерогенность популяций бактерии по определенным
признакам может являться видовой характеристикой и быть в
значительной степени детерминирована генетически. Для неко-
торых видов, например, характерны немногие антигенные ва-
рианты— серовары, тогда как у других их может быть очень
много. Например, у сальмонелл обнаружено более 1600 серова-
ров. Штаммы шигелл, возбудители дизентерии Флекснера, об-
наруживают варьирующие антигенные особенности, тогда как
возбудители дизентерии Зонне относительно однородны.
Гетерогенность природных популяций бактерий может быть
выражена в большей или меньшей степени, но популяции всегда
включают клетки разных клонов. Состав популяций патогенных
бактерий в большой степени зависит от уровня восприимчивости
популяций хозяев. Последние могут состоять, в крайних своих
вариантах, преимущественно из восприимчивых или преимуще-
ственно из иммунных организмов. В первом случае в популяци-
ях бактерий преобладают высоковирулептпыс эпидемические ва-
рианты, во втором — маловирулентные, резервациоиные. Высо-
ковирулентпыс штаммы по сравнению с маловирулентпыми ока-
зываются менее приспособленными к существованию в
221
иммунном организме. Это определяется разнообразными меха-
низмами, например, многие структуры и молекулы, выступаю-
щие в роли факторов патогенности, вместе с тем являются ми-
шенями иммунного ответа хозяина.
Закономерные изменения состава популяций патогенных
бактерий наблюдаются в процессе развития заболевания у от-
дельного больного и в коллективах в ходе развития эпидемии.
В начале заболевания преобладают высоковирулентные штам-
мы. На первых этапах развития иммунитета в организме боль-
ного начинает возрастать гетерогенность популяции возбуди-
теля. После выздоровления клетки вирулентных вариантов воз-
будителя в организме погибают, но могут сохраниться малови-
рулентныс. Па рис. 45 показана динамика содержания М-белка,
Дни болезни
Рис. 45. Изменения вирулентности стрептококков
группы Л в ходе инфекционного процесса (анги-
на) (по: Беляков и др., 1987).
Объяснения в тексте.
являющегося фактором патогенности, у стрептококков в про-
цессе развития заболеваний ангиной.
Аналогичные процессы имеют место при развитии эпидемии.
На ее начальных этапах в популяции возбудителя преобладают
высоковирулентпыс— эпидемические варианты. По мере появ-
ления иммунных организмов хозяина возрастает гетерогенность
популяции бактерий, а затем начинают преобладать маловиру-
лентные резервационные клоны, которые и доминируют в меж-
эпидемический период. Однако постепенно возрастает количе-
ство восприимчивых лиц в популяции хозяина: в результате по-
тери иммунитета, перемещений и др. Это приводит к увеличе-
нию гетерогенности популяции бактерий, начинают преобладать
высоковирулентпыс варианты, и вспыхивает новая эпидемия. В
действительности описываемые явления много сложнее. Возник-
новение эпидемии определяется разнообразными факторами, в
частности решающее значение может иметь уровень чувстви-
тельных организмов в популяции хозяина. Например, для воз-
никновения эпидемии ангины, вызванной высоковирулентным
эпидемическим вариантом ангинозного стрептококка, в маловос-
222
приимчивом коллективе должно появиться не менее 100 воспри-
имчивых человек.
Изменчивость бактерий, определяющая возможность описан-
ных явлений, определяется различными генетическими механиз-
мами, в частности так называемой диссоциацией бактерий, ко-
торая будет рассмотрена ниже.
МЕХАНИЗМЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ГЕТЕРОГЕННОСТЬ
БАКТЕР11.VIЬНЫХ ПОПУЛЯЦИИ
Популяции являются элементарными единицами микроэво-
люции, они способны реагировать на изменения среды пере
стройкой своего генофонда. Однако и здесь популяции бакте-
рий, в сравнении с популяциями эукариот, обнаруживают суще-
ственные особенности.
Считается, что по крайней мере в настоящее время эволюция
вида у эукариот определяется изменчивостью его генома и в
этом смысле осуществляется независимо от эволюции других
видов. При этом изменения генома передаются от родителей
детям, т. е. вертикально. У бактерий же широко распростране-
на так называемая горизонтальная передача генетических де-
терминант, при которой некоторые гены могут быть перенесены
нс только от одних членов популяции данного вида другим, но
и представителям разных видов и даже родов. Горизонтальной
передаче подвержены главным образом илазмидные гены, опре-
деляющие адаптации бактерий к некоторым факторам среды.
Это гены устойчивости к токсическим веществам, гены патоген-
ности, гены, определяющие способность к использованию неко-
торых органических соединений и водорода, и др. Таким обра-
зом, генофонд популяции обогащается за счет некоторых генов,
имеющихся в популяции других видов.
Передача генов у бактерий может происходить путем конъю-
гации; процесс конъюгационного переноса является основным
механизмом межвидовой передачи генов. Так, плазмиды груп-
пы несовместимости Р (Р-1) при конъюгации могут переносить-
ся между разными грамотрицательными бактериями. Это пред-
ставители семейства Enlerobacteriaceae, виды Vibrio, Acineto-
bacter, Agrobacterium, Rhizobium, Azotobacter, Caulobacter, My-
xococcus, Neisseria, Pseudomonas, Rhodopseudomonas, Rhodospi-
rillum. Такне плазмиды иногда способны к мобилизации при
конъюгациониом переносе и хромосомных генов.
При генетической трансформации бактерий происходит про-
никновение в клетку молекул ДНК. Хромосомные гены бакте-
рий другого вида, находящиеся в составе этой ДНК, обычно не
интегрируются и не проявляются, но при трансформации может
эффективно переноситься плазмидная ДНК. При трансформа-
ции наблюдали передачу плазмид от Bacillus subtillis к Staphy-
lococcus aureus и Streptococcus pneumoniae. Некоторые плаз-
223
миды грамположительных видов могут реплицироваться в клет-
ках грамотрицательных бактерий.
Бактериофаги, осуществляющие перенос генов при трансдук-
ции, обычно специфичны, и лишь некоторые из них, например
бактериофаг Ми, способны к заражению представителей несколь-
ких родов бактерий. Однако при передаче новому виду плаз-
мид плазмидиые гены могут встраиваться в геном бакте-
риофагов, что способствует распространению этих генов в бак-
териальной популяции.
Основные данные о межвидовой передаче генов касаются
генов, определяющих устойчивость бактерий к лекарственным
препаратам. Эти гены обычно сосредоточены в R-плазмидах. О
том, что имела место межвидовая передача этих плазмид, мож-
но судить по высокой степени сходства соответствующих генов у
разных бактерий. Так, известно несколько видов р-лактамаз—
ферментов, расщепляющих пенициллины и другие р-лактамные
антибиотики. Эти ферменты иногда оказываются совершенно
сходными у представителей разных родов бактерий, выделен-
ных к тому же в различных географических районах Земли.
Например, р-лактамазы I, кодируемые плазмидой Salmonella
paratyphi, выделенной в Англии, и плазмидой из штамма Esche-
richia coli, выделенного в Греции, отличались только одной
аминокислотной заменой. Вообще р-лактамазы этого типа, об-
наруживаемые у разных грамотрицательных и грамположи-
тельных бактерий, по аминокислотным последовательностям
идентичны на 30 — 40%.
Межвидовую передачу генов устойчивости иногда удается
зарегистрировать, изучая свойства штаммов, выделяемых из
определенных популяций бактерий. Так, в клинических услови-
ях зарегистрирована передача R-фактора от представителей
Enterobacteriaceac, у штаммов которых эта плазмида присутст-
вует, к Pseudomonas aeruginosa, штаммы которого ранее ни-
когда ее не имели.
В условиях эксперимента ген устойчивости к ампициллину
был передан от Е. coli к Mycoplasma capricolum и функциони-
ровал в этой бактерии.
Источник генов устойчивости, появляющихся в популяциях
бактерий, часто неизвестен, но результаты такого переноса
впечатляют. Так, начиная с 1945 г. в Японии для борьбы с ди-
зентерией, вызываемой Shigella, широко стали использовать
сульфамид. Но уже через 5 лет были обнаружены многочислен-
ные устойчивые к сульфамиду штаммы, число которых скоро
достигло более 90% выделенных. Тогда вместо сульфамида
стали применять антибиотики, но уже в 1952 г. от больного
был выделен штамм Shigella, одновременно устойчивый к тет-
рациклину, стрептомицину и сульфаниламиду, а в 1955 г. уже
и к хлорамфениколу.
Плазмиды с генами устойчивости к лекарственным вещест-
224
вам возникли вне связи с применением лекарств и иногда об-
наруживаются у бактерий, выделенных задолго до открытия
антибиотиков. Предполагают, что источником генов устойчиво-
сти могли стать микроорганизмы —продуценты антибиотиков.
Действительно, у продуцентов антибиотиков известны соответ-
ствующие плазмиды, однако их гены устойчивы и соответствую-
щие гены бактерий — не продуцентов, как грамположительных,
так и грамотрицательных, обнаруживают мало гомологии. Дру-
гая возможность состоит в том, что гены устойчивости могут
происходить от бактерий, обитающих в ценозах совместно с
продуцентами соответствующих антибиотиков.
Факторы устойчивости к тяжелым металлам, мышьяку и не-
которым другим ядам возникли у бактерий, развитие которых
приурочено к местообитаниям с высоким содержанием соответ-
ствующих веществ, например в районах месторождений соответ-
ствующих элементов. Загрязнение среды человеком, а также
использование лекарственных препаратов, содержащих эти эле-
менты, провоцирует распространение соответствующих генов.
Из природных резерватов плазмиды, несущие детерминанты ре-
зистентности, попадают к бактериям, связанным с организмом
человека и животных, и, таким образом, получают возможность
особенно широкого распространения. В природе существуют не
только очаги развития определенных бактерий, но и очаги, из
которых происходит распространение некоторых их генов.
Наблюдается межвидовой перенос не только генов устойчи-
вости, но и других генов, хотя таких примеров можно привести
значительно меньше. Так, гены лактозного опсрона, определяю-
щие способность бактерии к использованию лактозы, удавалось
передать от Е. coli к Rhodopseudomonas sphaeroides. Высказано
предположение, что гены азотфиксации, однажды возникнув у
какого-то вида, затем широко распространились среди разных
бактерий. Действительно, гены азотфиксации у форм, система-
тически и эволюционно весьма отдаленных, обнаруживают зна-
чительную степень гомологии, что может объясняться их рас-
пространением путем горизонтального переноса. Очевидно, что
приобретение таких генов могло дать виду существенные селек-
тивные преимущества. Имеются, впрочем, и данные, свидетель-
ствующие против горизонтальной передачи генов азотфиксации.
Внутрипопуляционная изменчивость бактерий, не связанная
с приобретением новых для популяции генов, обусловлена ря-
дом механизмов. Хромосомные или плазмидные гены могут
передаваться в процессе конъюгации, трансформации или
трансдукции. С определенной частотой происходят мутации,
связанные с нарушением структуры соответствующих генов.
Значительная доля внутрипопуляционных наследственных
изменений вызывается особыми генетическими структурами —
перемещающимися элементами, сегментами ДНК, которые мо-
гут встраиваться в разные места генома. Это, во первых, IS-
15 Заказ № IG4
225
элементы, содержащие только гены, неооходимые для их пере-
мещения— транспозиции — из одного места генома в другое, не
переходя в автономное состояние. IS-элемеиты различаются раз-
мером и составом оснований. Разные бактерии содержат раз-
личное число IS-элементов. Например, у Shigella dysenteriae в
геноме обнаружено около 200 копий IS-подобных последова-
тельностей, у штаммов Е. coli их от 0 до 19. При встраивании
IS-элсментов впереди какого-либо гена нарушается его регуля-
ция; гены подавляются, активируются или становятся консти-<
тутнвными. Эти мутации происходят благодаря присутствию в
перемещающихся элементах терминаторов и промоторов транс-
крипции и трансляции. Кроме того, перемещающиеся элементы
стимулируют мутации разного рода в близлежащих генах. В про-
цессе транспозиции происходит репликация ДНК переносимого
элемента и копия встраивается в новый участок ДНК, исход-
ный элемент остается на своем месте, т. с. в сущности не пере-
носится. Перемещающиеся элементы характеризуются специфич-
ностью при выборе, мест интеграции в хромосому. В случае вы-
сокой сайт-специфичности перемещающегося элемента его при-
сутствие в геноме бактерии приводит к повышенной нестабиль-
ности определенных генов и соответственно к направленности
изменчивости популяции.
Tn-элементы, или транспозоны, сложные перемещающиеся
элементы ограничены с обеих сторон IS-элементами, которые и
определяют их способность к транспозициям, но содержат не-
которые дополнительные гены, не имеющие отношения к меха-
низму их транспозиций. В состав транспозонов особенно часто
входят гены, определяющие устойчивость бактерий к лекарст-
венным препаратам, тяжелым металлам, или гены токсинообра-
зования, но здесь могут быть и другие гены. В некоторых слу-
чаях яды, инактивируемые благодаря генам, находящимся в
транспозонах, стимулируют перемещения этих транспозонов.
Это отмечено, например, у Streptococcus faecalis, содержащего
транспозон Тп 917 с геном Етг, определяющим устойчивость к
эритромицину. Сублетальные дозы антибиотика индуцируют ак-
тивность гена Emr и в 10 раз увеличивают число транслокаций
Тп 917. Сходные данные получены в отношении транспозона
Е. coli, несущего гены устойчивости к ионам ртути. Индукция
транслокаций крайне целесообразна, так как определяет не
только выработку белков, нейтрализующих яды, но и приводит
к увеличению числа копий и распространению в геноме соответ-
ствующих генов резистентности. Перемещающиеся элементы
могут встраиваться не только в хромосому, но и переходить на
плазмиды или с плазмид в хромосому. Они могут способство-
вать объединению различных репликонов, т. е. плазмид.
Третья группа перемещающихся генетических элементов
бактерий — эписомы, т. е. плазмиды, способные к автономному
(вне хромосомы) существованию в клетках или встраивающие-
226
ся в хромосому обычно благодаря наличию в их структуре IS-
элсментов или транспозонов.
К перемещающимся элементам бактериального генома от-
носятся также умеренные бактериофаги, ДНК которых в клет-
ке ведет себя подобно эписомам. Некоторые бактериофаги, на-
пример уже упоминавшийся (par Mu, по своим свойствам сход-
ны с транспозоном и отличаются только способностью к
формированию вирусных частиц.
Молекулы ДНК фагов, плазмид, транспозонов и IS-элемен-
тов находятся в постоянном взаимодействии. В зависимости от
условий среды те или иные процессы оказываются целесообраз-
ными и дают бактериям преимущества в борьбе за существова-
ние. Отдельные клетки даже в клональной популяции могут
отличаться особенностями структуры генома от основной массы
клеток, что дает материал для отбора при изменении условий
среды. Таким образом, генетическая структура бактериальных
популяций весьма сложна и подвижна.
Сложность генетической структуры бактериальных популя-
ций реализуется в изменчивости ее членов.
§ 5.	ЛАБОРАТОРНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ БАКТЕРИИ
Лабораторные популяции бактерий — это в большинстве
случаев чистые культуры бактерий, т. е. культуры, полученные
из одной клетки. Чистая культура никогда не бывает вполне
однородной. В процессе развития популяции возникают изме-
ненные формы в результате мутаций в отдельных генах или в
результате перестроек генетического материала. Изменчивость
состава популяции отражает процессы микроэволюции. По всей
вероятности, изменчивость, наблюдаемая в культурах бакте-
рий, едва ли приводит к существенным эволюционным сдвигам,
она имеет прежде всего большое значение для процессов адап-
тации бактерий к изменяющимся условиям окружающей среды,
обеспечивает виду успех в борьбе за существование.
В культурах бактерий происходят самые разнообразные не-
направленные мутации, их частота обычно составляет 10-6 —
10~10, т. е. очень невелика. Могут наблюдаться, однако, измене-
нсния, происходящие с гораздо большей частотой. Природа та-
ких изменений пока мало понятна, только в последние годы эти
процессы начали привлекать внимание специалистов в области
генетики бактерий. К такого рода явлениям относится прежде
всего так называемая диссоциация бактерий.
Диссоциация бактерий — это постоянная и потому легко об-
наруживаемая изменчивость внешнего вида колоний, причем
одновременно с этим изменением изменяется и целый ряд дру-
гих свойств клеток. Изменчивость такого рода может иметь
большое значение для выживания бактерий, а также представ-
ляет большой практический интерес, поскольку в процессе дис-
15*	227
социации происходит изменение степени вирулентности пато-
генны?; бактерий, интенсивности синтеза биологически актив-
ных соединений соответствующими продуцентами и т. и.
Диссоциация бактерий — это расщепление однородной попу-
ляции на варианты, различающиеся морфологическими, физио-
логическими и биохимическими свойствами, причем у разных
видов и даже у разных штаммов одного вида бактерий их
свойства могут быть различны. Обычно выделяют три основных
варианта, различающихся прежде всего морфологией колоний:
М (mucoid)—слизистые, S (smooth)—гладкие, R (rough) —
шероховатые или складчатые колонии. Могут образовываться
также колонии промежуточных типов, а также карликовые ко-'
лонии. Иногда выделяют и колонии других типов.
Диссоциация отличается от случайных мутаций высокой ча-
стотой возникновения вариантов и их взаимных переходов —
10-?-if)-4.
Частота переходов характерна для определенных штаммов,
т. е. является характеристикой штамма и довольно стабильно
сохраняется в процессе хранения культуры.
Диссоциацию наблюдали прежде всего у патогенных бакте-
рий: пневмококков, стафилококков, сальмонелл, дизентерийных
бактерий, туберкулезных микобактерии и др. Особое внимание
медицинских микробиологов этот процесс привлекает потому,
что с изменением характера колоний связано изменение виру-
лентности и антигенных свойств микроорганизма.
Колонии бактерий кишечной группы, выделенные из естест-
венной среды их обитания, находятся в S-формс. Образующие-
ся при лабораторном культивировании R-колопии складчатые,
гранулярные. Бактерии дают гранулярный рост и в жидкой
среде, в физиологическом растворе клетки часто подвержены
спонтанной агглютинации. Клетки S-варианта после деления
сразу отделяются друг от друга, а у R-варианта после деления
не расходятся, образуя нити или цепочки. У R-вариантов ча-
стично редуцирована полисахаридная часть липополисахарида
внешней мембраны клеточной стенки, клетки более гидрофобии.
У R-варнаптов часто образуются инволюционные клетки, т. с.
клетки неправильной формы, нередко гигантские, иногда теряю-
щие подвижность, способность к образованию фимбрий и т. д.
S—R-измснчивость ассоциируется с частичной или полной поте-
рей вирулентности.
У пневмококков изменчивость колоний от S- к R-форме ас-
социируется с потерей капсульного полисахарида, а соответст-
венно— типоспецифического антигена и вирулентности.
При выращивании бактерий на искусственных питательных
средг.х R-варианты обычно получают селективное преимущество
и имеют тенденцию накапливаться в популяциях. Обратный
процесс — накопление клеток S-вариантов, можно наблюдать
223
при пассировании бактерий через организм животного. Наиболее
универсальным методом селекции является воздействие специ-
фическими к S- или R-вариантам антисыворотками. Для селек-
ции клеток R-формы бактерий обрабатывают антисывороткой
против S-клеток, и наоборот.
У большинства бактерий S- или М-формы являются виру-
лентными или. у сапрофитов, более приспособленными к естест-
венным условиям обитания. Однако бывают и исключения.
Так, у возбудителя чумы Yersinia pestis вирулентны R-ва-
рианты.
Как уже было отмечено, у продуцентов биологически актив-
ных соединений активными могут быть те или иные варианты.
Так, антибиотик грамицидин С вырабатывают М- или R-, но
не S-формы В. brevis. В. subtilis вырабатывает а-амилазу, бу-
дучи в R- пли S-, но не в М-форме, и т. п.
Молекулярные механизмы диссоциации бактерий еще нс
вполне понятны. .Многие авторы ведущую роль в диссоциации
отводят фаговой конверсии, т. е. считают, что изменчивость
бактерий здесь регулируется геномом профага. Состояние бак-
терии может при этом зависеть как от наличия профага, так
и от места его внедрения в хромосому. Может изменяться и
состояние, генома самого профага. Так, для Mycobacterium lac-
ticolum было показано, что R-, S- и М-варианты, видимо, от-
личаются ио характеру встройки профага в геном клетки. При
этом возможные переходы форм вызываются перестройкой про-
фага, присутствующего во всех трех вариантах. При обработке
клеток М-варианта веществами, элиминирующими плазмиды,
акридиновым оранжевым или бромистым этидием, половина
возникающих клонов S-типа теряла способность к диссоциации
и приобретала чувствительность к соответствующему фагу.
С большей или меньшей убедительностью значение профага
для диссоциации было показано и для ряда других видов бак-
терии, однако далеко не для всех диссоциирующих видов. Ве-
роятно, кроме профагов в регуляции этого процесса принимают
участие и другие мигрирующие генетические элементы — плаз-
миды, IS-элементы, транспозоны.
Очевидно, что диссоциация бактерий, постоянно идущая в
природных популяциях бактерий, создаст фенотипическое раз-
нообразие форм на единой генетической основе, что имеет боль-
шое приспособительное значение. Выживают и накапливаются
варианты, наиболее приспособленные к конкретным условиям ок-
р уж а ю щей среды.
Изменчивость популяций бактерий, выращиваемых в хемо-
стате, была предметом многочисленных исследований. Хемостат
используется для проточного непрерывного культивирования
бактерий, и в нем можно наблюдать растущую культуру в тече-
ние длительного времени. Хемостат представляет собой культи-
ватор, в который с определенной скоростью подается питатель-
229
пая среда, а тот же объем культуры одновременно удаляется
из культиватора. Плотность (концентрация клеток) бактерий
в хсмостате зависит от концентрации лимитирующего их рост
субстрата. Обычно используют лимитирование источником уг-
лерода, азота или фосфора, по иногда и другие принципы ли-
митирования. Скорость размножения бактерий в хемостате за-
висит от скорости протока среды в определенных ее пределах.
Однако при слишком высокой скорости протока бактерии будут
вынесены из культиватора, а при слишком низкой — может
начаться их отмирание.
Очевидно, что при появлении в хемостате клеток, размно-
жающихся с большей скоростью, чем исходные, они будут по-,
степенно накапливаться в популяции, а клетки, растущие с
меньшей скоростью, будут вымываться из хемостата. Подобные
явления можно обнаружить даже при очень низких скоростях
размножения бактерий. В неоднородной популяции клетки того
или иного типа могут получать преимущества в связи с разны-
ми факторами: имеет значение природа лимитирующего субст-
рата, состав среды, скорость протока, исходное соотношение
форм, температура и т. п. Поэтому структура популяций бак-
терий очень динамична.
Обычно мутанты, конститутивно образующие ферменты, в
норме индуцибельныс и ненужные в данных условиях, вымы-
ваются из хемостата. На примере В. subtilis было показано, что
ауксотрофные по гистидину и (или) триптофану мутанты вы-_
тесняют родительский прототрофпый штамм, если выращивание
ведется в среде с достаточной концентрацией упомянутых ами-
нокислот. Это очень важное наблюдение дает объяснение тому
факту, что большинство бактерий, развивающихся в естествен-
ных средах, обнаруживает достаточно сложные пищевые по-
требности.
Клетки, несущие плазмиды, ненужные в данных условиях,
например факторы резистентности к отсутствующим в среде
лекарственным препаратам, часто размножаются медленнее
чувствительных клеток и вымываются, хотя обычно не полно-
стью, а иногда плазмиды, несущие, казалось бы, ненужные ге-
ны, дают преимущество в борьбе за существование.
Клетки, различающиеся изоферментпым спектром в зависи-
мости от условий или не обнаруживают различий в скоростях
роста, или определенный клеточный тип получает некоторое
преимущество. Причины таких различий неизвестны, но предпо-
лагают, что изоэнзимы, по-видимому, имеют некоторые разли-
чия в сродстве к субстратам, что может в некоторых случаях
оказать влияние на скорость роста бактерий.
Периодическая селекция вариантов с повышенной скоростью
роста наблюдается в неоднородной популяции бактерий, выра-
щиваемых в хемостатс. В популяции растущих бактерий по-
стоянно появляются те или иные мутанты. Если скорость их ро-
230
ста не отличается от скорости роста исходных оактерии, они
постепенно накапливаются в культуре в результате появления
новых мутантов по данному признаку. Например, можно обна-
ружить накопление мутантов, устойчивых к бактериофагу, ко-
торый в хемостате отсутствует, т. е. сама по себе устойчивость
не дает клеткам преимущества. Число таких мутантов в культу-
ре подвержено случайным колебаниям (рис. 46). Приведенная
на рисунке зависимость может быть объяснена следующим об-
разом. В популяции появляются мутанты с повышенной ско-
ростью роста. Поскольку в популяции чувствительных к фагу
клеток значительно больше, чем устойчивых, вероятность появ-
ления мутантов с большей скоростью роста среди таких клеток
также выше. Появившись, такой мутант начинает вытеснять из
хемостата клетки устойчивого
меньшей скоростью. Однако и в
с большей скоростью, появля-
ются устойчивые к фагу му-
танты, которые постепенно на-
капливаются. Количество ус-
тойчивых клеток будет опять
увеличиваться, пока не по-
явится новый быстро расту-
щий вариант, скорее всего
среди чувствительных клеток.
Опять число устойчивых кле-
ток падает. Процесс периоди-
ческой селекции не имеет ха-
рактера чисто случайного про-
цесса, его ход предсказуем.
Из хода кривой (рис. 46)
к фагу мутанта, растущие с
популяции бактерий, растущих
Рис. 46. Варьирование содержания
устойчивых к фагу клеток в отсутст-
вие их селекции в хемостате (перио-
дическая селекция).
также видно, что при прочих равных условиях преиму-
щество получают клетки, содержащиеся в хемостате в отно-
сительно большем количестве по сравнению с клетками
других типов, так как именно среди них наиболее ве-
роятно появление мутанта с большей скоростью роста. Поэтому
при внесении в культиватор исходно неоднородной популяции
бактерий решающее значение может иметь исходное соотноше-
ние клеток разных типов. Иногда обнаруживается также пре-
имущество у клеток, содержащих ген-мутатор, увеличивающий
частоту их мутирования. Если в популяции таких клеток доста-
точно много, они могут получить преимущество.
Адаптация к использованию нового субстрата наблюдается
в популяциях различных бактерий. Можно «приучить» бактерии
к использованию в качестве пищи некоторых соединений, кото-
рые обычно они нс усваивают. Для этого иногда бывает доста-
точно одной мутации в соответствующем гене. Широко известны
исследования потребления пентоз некоторыми кишечными бак-
териями. Так, например, был получен мутант Klebsiella аего-
231
genes, способный расти на D-арабинозс, обычно этим видом не
усваиваемой. Как оказалось, у KI. aerogenes имеется путь ис-
пользования L-фукозы: изомераза L-фукозы, катализирующая
ее превращение в L-фукулезу, не строго специфична и с невысо-
кой эффективностью превращает D-арабниозу в D-рнбулезу
(рис. 47). Однако D-арабиноза не является индуктором гена
изомеразы, и в присутствии D-арабинозы этот фермент не син-
тезируется. Мутация в регуляторном гене, приводящая к кон-
ститутивному синтезу изомеразы, дает возможность бактерии
расти, используя D-арабинозу, так как образующаяся D-рнбуле-
Дигидроксиацетон сроссраг ♦	П-ксилулезо-5-оос(рат
♦ пакта,"аде'-ид
Рпе. Ч7. Путь использования D-арабшюзы мутантом Klebsiella aeroge-
nes (по: Oliver, Mortlock, 1971).
Объяснения в текст<\
за метаболизируется ферментами пути использования рибита.
При выращивании такого мутанта на D-арабинозе в дальней-
шем произойдет мутация в гене изомеразы, увеличивающая
сродство этого фермента к D-арабинозс. Может также произой-
ти удвоение гена фермента, что увеличит интенсивность его син-
теза. Мутация, увеличивающая сродство фермента к D-араби-
нозе, может произойти в одном из этих генов. Мутация в регу-
ляторном гене приводит к тому, что новый субстрат становится
индуктором соответствующего гена.
Следует отметить, что в экспериментах по накоплению из-
мененных мутантных форм в популяциях бактерий обычно се-
лекция ведется в стабильных условиях, четко селективных для
мутантов, что и дает преимущество мутантному геному. Клетки
исходного типа в этих условиях обычно не гибнут, но не раз-
232
множаются или размножаются медленно. В некоторых экспери-
ментах было показано, что при возвращении условий к исход-
ным клетки дикого типа быстро вытесняют мутантные. Клетки
дикого типа не представляют собой лишь один из бесчисленных
возможных вариантов генотипа, но в определенных пределах
изменчивости соответствуют норме данного вида.
Во всех рассмотренных случаях изменения структуры бак-
териальных популяций определялись различной приспособлен-
ностью определенных клонов к условиям данной среды и соот-
ветственно различной скоростью их размножения. Между клет-
ками, имеющими генетические различия, могут наблюдаться и
более прямые взаимодействия. Это — обмен ДНК в результате
процессов генетической трансформации, трансдукции или
конъюгации или выделение специфических белков — бактсрио-
цинов.
Бактериоцины — это белки, убивающие бактерии того же ви-
да или близкородственных видов. Бактериоцины бактерий обоз-
начают в соответствии с названиями соответствующих организ-
мов. У Е. coli—это колицины, у Serratia marcescens— марцес-
цииы, у Klebsiella pneumoniae — иневмоцины и т. п. Наиболее
изучены колицины, которые бывают различными. Одна группа
колицинов кодируется генами, находящимися в крупных конъю-
гативных плазмидах. Это высокомолекулярные белки, иногда
имеющие форму фаговых отростков. Колицины другой группы
кодируются мультикопийиыми неконъюгативными мелкими плаз-
мидами и представляют собой низкомолекулярные термоста-
бильныс белки.
Кроме генов, кодирующих синтез колицинов, соответствую-
щие плазмиды содержат гены, определяющие устойчивость к
подобному экзогенному и эндогенному колицину в результате
изменения поверхностных белков — рецепторов молекул коли-
ци«а, или синтеза белков, нейтрализующих колиции.
Гены колициногепности обычно репрессированы. В популяции
бактерий, имеющих плазмиды колициногенности, колицин обра-
зуют не более 0,01% клеток — их число значительно возрастает
в плотных популяциях. Синтез крупномолекулярных колицинов
может быть индуцирован воздействиями, нарушающими струк-
туру ДНК — облучением, обработкой митомицином С и др. Син-
тез этих колицинов сопровождается гибелью клетки и се лизи-
сом.
Молекулы колиципа адсорбируются па поверхности чувст-
вительных, т. е. не содержащих данную плазмиду бактерий.
Иногда достаточно одной молекулы адсорбированного на по-
верхности клетки колицина, чтобы убить клетку. Низкомолеку-
лярные колицины проникают внутрь клетки. Механизмы гибели
бактерий под действием колицинов различны. Некоторые коли-
цины нарушают функции цитоплазматической мембраны, дру-
гие действуют па ДНК или рибосомы.
233
Около 20% штаммов кишечной палочки, выделенных из
природы, имеют плазмиды колициногенности. В определенных
популяциях кишечной палочки могут присутствовать КОЛИЦИНО-;
генные и неколициногенные клоны. Способность к образованию
крупномолекулярных колицинов, видимо, не придает клеткам
экологических преимуществ в кишечнике. Содержимое кишечни-
ка обладает высокой протеолитической активностью, кроме то-
го, в анаэробных условиях эти колицины мало активны. Низко-
молекулярные колицины более устойчивы к протеазам. Их про-
дуценты получают преимущество при развитии в кишечнике,
однако полного вытеснения неколициногеппых клопов обычно
не наблюдается.
Из рассмотренных выше материалов следует, что взаимодей-
ствие бактерий с окружающей средой осуществляется не только
на уровне отдельных клеток, но и па популяционном уровне.
При этом реакцией популяций на изменение условий среды мо-
жет быть изменение их структуры, количественного соотноше-
ния клеток различного типа или возникновение качественно но-
вых признаков, т. е. микроэволюция.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	В чем особенности микроценозов?
2.	Какова структура экосистем пресноводного озера?
3.	Какова структура экосистем почвы?
4.	Роль бактерий в очистке сточных вод.
5.	В чем состоят особенности бактериальных популяций?
6.	Каковы механизмы, регулирующие гетерогенность бактериальных по-
пуляций?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Бактерии населяют всю биосферу, едва ли можно найти та-
кие ее участки, где была бы жизнь, но ие было бактерий. Вме-
сте с тем в условиях, которые мы определяем как экстремаль-
ные, нередко обитают только бактерии, например при экстре-
мальных значениях температуры, солености, pH. Огромному
разнообразию условий, представляемых биосферой бактериям,
соответствует разнообразие их свойств и адаптаций. Обладая
огромной численностью популяций и выработанными эволюцией
механизмами изменчивости и диффузии генетических детер-
минант, большинство бактериальных видов находится в состоя-
нии постоянного адаптационного движения в соответствии с из-
меняющимися условиями среды, будь то организмы или эле-
менты неживой природы.
В результате успехов молекулярной биологии и молекуляр-
ной генетики в последние годы успешно развивается направле-
234
пне исследований, которое можно определить как молекуляр-
ную экологию. Как выясняется, несмотря на относительную про-
стоту организации бактериальной клетки и се незначительный
объем, она обладает весьма сложными и совершенными меха-
низмами молекулярных адаптаций, существование которых еще
относительно недавно невозможно было даже предположить. Это,
например, относится к системе SOS-ответа, системе белков теп-
лового шока, плазмидным системам патогенности и устойчи-
вости и т. н.
Важным фактором эволюции бактерий сейчас становится
бурное развитие биотехнологии и генной инженерии. Исследо-
вание экологии промышленно важных микроорганизмов в ус-
ловиях производств становится насущной необходимостью.
Кроме того, генно-инженерные разработки, вероятно, должны
привести к созданию форм, способных занять новые необычные
экологические пиши. Никто не знает, к чему это может приве-
сти, отсюда необходимость предосторожностей при такого рода
работах.
Рассматривая экологию бактерий, необходимо иметь в виду,
что они являются не только обитателями, но и создателями со-
временной биосферы, а в настоящее время сами являются эко-
логическим фактором практически для всех живых организмов,
с которыми они взаимодействуют как косвенно, через процессы
круговорота элементов, так и непосредственно, являясь ком-
менсалами, симбионтами или паразитами.
Экология бактерий — бурно развивающаяся наука, ее прог-
ресс определяется не только интенсивностью проведения спе-
циальных экологических исследований, но и успехами во всех
других областях микробиологии, а также в соответствующих
разделах генетики и молекулярной биологии.
Крайняя недостаточность имеющихся к настоящему времени
знаний о практически неисчерпаемом разнообразии взаимодей-
ствий бактерий со средой и организмами несомненна. Это поз-
воляет с уверенностью утверждать, что в скором будущем пред-
стоят увлекательные открытия в области экологической микро-
биологии.
Предметный указатель
Автоиндуктор 17.1
Адаптация 26, 27
—гомеовязкостиая 48
—	к новому субстрату 231
—	к температуре 10
—	к тяжелым металлам 112
—	общая 26
—	стратегия 11, 141
—	частная 26
Адаптивный ответ 121, 124
Адгезины 131, 136
Адгезия бактерий 130
—	временная 136
—	иеснецифическая 130
—	специфическая 136
Активность воды 78
Активный ил 212
Алармоны 121
Алкалофнлы облигатные 68
Аменсализм 140, 149
Антагонизм микробов 18, 140, 149
Антибиотики 18, 116, 149
Антисептики 105
— катионные. 106
Аргиниидсзаминазная система 77
Ареал 198, 199
Архебактерий 24, 33, 56, 57, 59, 70,
86, 145, 146, 158
Ассоциация сиптрофная 145
Аттрактанты 33, 126
Аутэкология 26
Ацидофилы 68
Анаэробы 31, 89, 90, 93, 169, 207
Аэробы 91, 97, 145
Аэротаксис 93
Аэротенки 212
Бактерии
— азотфиксирующие 6, 97, 145, 186,
201
— алкалофильные 57, 68, 84
— анаэробные 5, 91, 201
— ацетогениые 145
— ацидофильные 68
— аэробные 32, 91, 97
—	баротолерантныс 41
—	барофильные 41
—	галотолерантные 81
—	галофильные 81
—	генералисты 141
—	деструкторы 202
— зеленые 13, 31, 146, 148
—	калъдерные 58
—	кальдоактивные 58
—	кислотоустойчивые 57, 67
— клубеньковые 7, 19, 187
—	комменсалы 167
— метанобразующие 145,208,209
— молочнокислые 94, 149, 184, 204
— морские 81, 83
—	пегалофильные 81
—	нитрифицирующие 27
—	обитатели кожи 167
—	облигатно барофильные 41
—	облигатно синтрофные 146
—	облигатные паразиты 175
—	олиготрофные 98, 210
—	осмофильные 81
— оппортунисты 175
— патогенные 52, 147, 149, 175
— пернфнтонные 134
— пурпурные 13, 31, 85
— светящиеся 171
— симбионты 20, 153
— специалисты 141
— термотолерантные 53
— термофильные 44, 53
— тионовые 7, 27, 107, 141, 147
— уксуснокислые 149
— умеренно галофильные 81, 84
236
— условно патогенные 175 — устойчивые к антибиотикам 117 кадмию ИЗ	Газовые баллоны 96 Галобактерий 86 Галородопсин 33 Ганглиозиды 177
мышьяку 115 ртути 113 — факультативно анаэробные 93	Гелиобиология 40 Гемопротеид 95 Генетическая колонизация 196
— факультативно термофильные 53 — фитопатогенные 19, 52, 186, 193 — фототрофные 13, 30, 33, 85, 89, 108, 202	Гены — азотфиксации 225 —лактозного оперона 41, 225 ada 120
— хемолитотрофные 143, 147, 164, 202 — хищники 150, 208 — щелочетолерантные 67 — эпифитные 183 — экстремально баротолерантные 41 — экстремально галофильные 32, 33, 81, 85 — экстремально термофильные 53, 57 Бактериородопсин 33, 71, 86 Бактериостаз 104 Бактериофотофор 171 Бактериохлорофилл 31 Бактериоциты 163 Бактерициды 104, 191 Бактернцины 233 Бактероиды 20 Бартоннелез 201	сп1г 226 host 193 htr 125 lex Л 121, 122 iner 114 nil 192 mid 192 osni 82 oxy R 125 rec A 122 sfi A 122 sul A 122 uvr 120 Гетероцисты 97 Гиалуронидаза 176 Гидроген осомы 158 Гидроксильный радикал 91 Гидростатическое давление 41
Белки — метнлакцепторные 128 — теплового шока 12], 124 —	термофилов 62 Бноорганомиперальный комплекс почвы 9 Биосфера 22 Биоценоз 198 Биоценология 198 Биполярные тела 154 «Бородатый корень» 196 Варианты —	резерваиноиные 222 —	эпидемические 222 Вирулентность 175 Вискозитакснс 126 Водный потенциал 78 Водоемы —	гнпергалинные 85 —	олиготрофные 98, 208 —	эвтрофные 98, 208 Возбудитель —	дифтерии 178 —	проказы 180 —	столбняка 179 —	холеры 178 —	чумы 181, 200 Выедание бактерий 165 Газовая гангрена 148	Гиполимнион 31, 205 Гипотеза снмбногенеза 21 Гнотобиоты 167 Гомеостаз 27 — pH 71 —энергетический 28 Гомотаксис 135 Гонидии 134 Дпплосомы 154 Дисбактериоз 170 Диссоциация бактерий 223, 227 Железобактерии 12 Жирнокнслотный состав — Escherichia coli 48 —	мезофилов 49 —	психрофилов 49 —	термофилов 62 Закон Гаузе 17 Защита нитрогеназы 197 Земное тяготение 28 Зубные бляшки 132 Излучение —	космическое 37 —	ионизирующее 37 —	солнечное 39 —	ультрафиолетовое 35
237
Микроцсцоз 198, 202
Мпкроценозы почвы 209
ЛТпкроэкоспстема 199
Мпнпбактерпи 103
Мицетом 158
Мицетоциты 158
Молекулярный кислород 89
Мутуализм 140
Нейстон 205
Нейтрализм 139
Нейтрофилы 67
Нитрогеназная система 96
Ноосфера 25
Окислительный стресс 121, 125
Окружающие условия 198
Оксигеназы 92
Олигосахариды периплазматические
83
Олиготрофы 98, 141
Опины 196
Осмолярность 80
Осмопротскторы 82
Осмосенсор 82
Осмотолераптность 80, 81
Осмофилы 8!
Паразитизм 140
Паразиты
— животных 175
— микробов 150, 174
— простейших 154, 181
—растений 193
— энергетические 180
Пелоскопы 8
Перекись водорода 91
Периодическая селекция 230
Пероксидазы 91, 94
Пиоциаиаза 18
Плазмиды 7
— множественной устойчивости
(К-плазмплы) 7, 112, 117,224
— Р-1 223
— Rt 196
— svm 192
— Т1 196
Пневмоцины 233
Полпамииы 84
Полпглюкоза 101
Поли-/3-гидрооксимасляная кислота
101
Популяции 214
Популяции бактерий 215
— Bacillus megaterium 217
— Escherichia coli 218
— природные 214
— лабораторные 215, 227
— патогенных бактерий 221
Порипы 82
Инсерциопные (IS) элементы 219,
225
Инфекционная нить 191
Поны тяжелых металлов 1б6
Каротиноиды 92
Каталаза 91, 93
Клетки травмированные 118
Клинокпнез 127
Клоны 215
Колицины 233
Колонии
— гладкие, слизистые, шероховатые
(складчатые) 228
Комменсализм 140. 167
Конкуренция 139, 140
Консорциум 148
Конституциональный иммунитет 182
Концентрация ионов водорода 66 .
Концентрационная экспонента 104'.
Концепция микробного пула 11, 211
Коппотрофы 98
Корончатые галлы 194
Коэффициенты концентрирования
109
Красители 106
К-стратегня 141, 203, 210
Культуры элективные 6
.Лактамазы 221
Леггемоглобии 95, 191
Лектины 188
Магнитные поля 29, 39
Магинтобактернп 29
Магпнтосомы 29
Марцесцпны 233
Матричный водный стресс 88
Межвидовая передача генов 223
Мезофилы 44, 47, 49
Местообитания 199
Металпмнпон 205
Металлотионеины 115
Метнлобактерии 145, 207
Метилтрапсфсраза 120
Метод
— инициированного сообщества 111
— прямого микроскопического учета
8, 12
— стекол обрастания 8
Микобактерии 89
Микроаэрофилы 94
Микрозоны ила 96, 208
Микрозоны почвы 211
Микрофлора
— автохтонная 8, 209, 210
— зимогенная 8, 209, 210
— кишечного тракта 168
—нормальная 166
— рассеяния 202 . .
238
Преадаптация 26
Предел толерантности 26
Принцип конкурентного исключения
(Вольтерры—Гаузс) 16, 199
Провинции биогеохимические 110
Простеки 99
Простекобактерпп 99
Протонометр 128
Пррвдокаталаза 94
Психротрофы 44, 49
Психрофилы 44, 49
—	истинные 45
—	облигатные 45
— факультативные 45
Пурпурные мембраны 33, 86
Радиорезистентность бактерий 37
Реакция пшерчувствнтельности 194
Репарация ДПК 119
—рекомбинационная 120
— эксцизионная 120
Репелленты 33, 126
Ризосфера 184
Ризосферный эффект 185
Рикеттсип 180
г-стратегия 141, 203, 210
R-тела 157
Свет видимый 30
Сенсорный родопсин 33
Сернистый газ 105
Серовары 221
Синтрофия 139
Симбиоз 139
— клубеньковых бактерий 19, 187
— облигатный 139, 158
— тройственный 157
— факультативный 139
Симбионты
— амеб 153
— гемофлагеллнт 154
— губок 162
— инфузорий 21, 154
цитоплазматические 157
ядерные 154, 155
— моллюсков 162
— насекомых 20, 158
— погонофор 162
— простейших 21, 153
— рыб 171
— тараканов 159
— цикад 160
— червей 162, 165
— членистоногих 21, 158
Сипглетный кислород 91
Синтрофия 139, 144
Синэкология 198
Солнечная активность 39
Солнечный ветер 39
SOS-ответ 121
Специализация 27
Спироплазмы 81
Стратификация 205
Стрессовые воздействия 80, 118, 120
Строгий контроль 121	!
Строматолиты 202
Сукцессия 203
Сульфатредукторы 146, 207
Супероксид 90
Суперокспддисмутаза 91, 93
Таксис 126
Т-ДНК 196
Температурная характеристика 42/
47
Температуры
— кардинальные 10, 42
— максимальные 42
— минимальные 10, 42, 44
— оптимальные 10, 42, 44
Термальные источники 56
Термогенез 54
Термоклин 205
Термоустойчивость бактерий 62
Термофилы 44
Токсины бактериальные 176
Трансмембранный потенциал 71
Транспазоны 1) 7, 226
Транспортные системы олиготрофов
101
Трофалосомы 163
Ультрамикробактерии 103
Ультрамнкроклеткн 103
Уробактерии 68, 149
Ультрафиолет
—	ближний 35
—	дальний 36
— средний 36
Факторы
— патогенности 175, 193
— плодовитости 7
Филлосфера 183
Фимбрии 137
Фитоалексины 194
Фотодинамический эффект 92
Фотокпнез 33
Фотолиаза 119
Фотопротскция 36
Фоторсактивация 119
Фоторецепторы 33
Фотосенспбилнзаторы 35, 36
Фотосинтез 108
— аноксигенный 31, 146, 207
— галобактерий 86
— окепгенпый 30, 31
Фототаксис 33
Фотофобные реакции 33
Фотофор 171
239
Фотохромность 34
Хемоклин 205
Хеморецепторы 127
Хемотаксис 126
Хемостат 150, 229
Хищничество 140
Хламидии 180
Хлорофилл 31
Ценоз 198
Ценозы
—	автотрофные 202
—	антропогенные 204
—	бактериальные 202
—	водоемов 205
Цнавобактернальные маты 202
Цианобактерии 13, 30, 31, 58, 90,
107, 164, 202, 207
Цитолизины 176
«Черные курильщики» 61
Штаммы резидентные и транзитные
220
Экологическая ннша 199
Экосистема 198
Экосистемы очистных сооружений
212
Эпилимнион 205
Эпнсомы 226
Эффект Арндт—Шульца 106
Эффекторы 126
Указатель латинских названий бактерий
Acinetobacter 52, 84, 168, 223
Actinomadura 55
Actinomyces
—	viscosus 93
Aerobacter 51
Aeromonas 99, 103, 129, 223
Agrobacterium 99, 193, 194
—	tumefaciens 194—196
—	rhizogenes 196
Alcali genes 51, 52, 84, 103
— faecalis 115
Alteromonas haloplanktis 84
Alysiella 137
A ncalomicrobium 100
Aphanizomeiion flos-aquae 207
Aphanocapsa 165
Aquaspirillum magnetotaclicum 29
Arthrobacter 7, 46, 47, 49, 99
— glacialis 43, 47, 49, 51
—	globiformis 47, 49
—	cariabilis 47
—	ureafacians 47
Asticacaulis 100
Azospirillum 186
Azotobacter 51, 97, 107, 109, 201, 223
—	chroococcum 10
—	vinelandii 49, 144
Bacillus 51, 55, 56, 63, 65, 79, 117
— acidocaldarius 58, 68, 69, 70—72
—	agglomcratus 201
—	alcalophilus 68, 69, 73
—	imthracis 176
—	breuis 229
—	caldotenax 59, 64
—	caldouelox 59
—	caldolyticus 59
—	cereus 201
—	circulans 63
—	coagulans 68
	— firm us 68, 69, 73, 75
— idosus 201
— licheniformis 41, 64, 148
— megaterium 10, 48, 110, 115, 207
217
— mesentericus 10, 110, 201
mycoides 10, 14, 201
—	pasteurii 68, 69
—	psychrophilus 45
—	stearolliermophilus 49, 55, 63, 64,
65
—	subtilis 36, 63, 65, 67, 71, 72, 201,
223, 229, 230
•	—thuringiensis 180
—	-.'esiculiferous 96
Bacterium laclis 6
Bacteroides 148, 169
—	fragilis 93
—	melaninogenicus 148
—	sticcinogenes 169
Bartonella bacilliformis 20(1
Bdellovibrio 151, 152
Beggiatoa 94, 95
Beijerinckia 201
Bifidobacterium 170
Blastobacler 100
Blattabacterium 159
Bradyrhizobium 187
— japonicum 189, 192
Brevibacterium 168
Bronchothrix thermosphacta 52
Butyriuibrio fibrisolcens 169
C aedibacter 157
— thaeniospiralis 157
— caricaedens 157
Campi/lobacter fetus 94
Caulobacter 79, 99, 100, 134, 205, 229
-	vibriaides 134
Clilorobium 146
—	limicolu 13
•	—phaeobiicteroides 148
240
Chloroflexus aurantiacus 58
Chromalium 146
— vinosum 199
Chromobacterium 52
Cilrobacter 117
Clostridium 10, 51, 55, 62, 76, 93,
94, 175,179,201,204,209
—	acelobutylicum 76, 201
— botulinum 52, 147, 148, 183
—	pasteurianum 10, 201
—	perfringens 176, 179
—	tetani 183
—	thermocelluin 55, 146
Coccobacteria septica 6
Corynebacterium 51, 99, 168
Coxiella burnetii 68
Cyclobacter 208
Cytophaga psychrophila 52
Deinococcus
—	radiodurans 38
—	radiophilus 38
Desulf otomaculum 148
—	nigrificans 56
Desulfovibrio
—	desulfuricans 93
—	vulgaris 146
Desulf urococcus
—	mobilis 60
—	mucosus 60
Desulfuromonas 147
—	acetoxidans 146
Dictyobacter rapax 208
Dictyoglomus thermophilum 59
Eciothiorhodospira 87
—	halophila 85
—	halochloris 85
Enterobacter 117
Erwinia 19, 193
—	amylovora 128, 193
—carotovora 194
— herbicola 184
—	stewarti 193
Erythrobacter 32
Escherichia coli 34, 35, 38, 41, 43, 48,
49, 64 , 65, 67, 71—74, 81—84, 87,
102, 107, 112, 120—129, 133, 137,
141, 144, 166, 170, 218—221, 224—
226, 233
Eubacterium 169
—	cellulosolvens 169
Excellospora 55
Fervidobacter nodosum 59
Flavobacterium 52, 84, 99, 103
Frankla 193
Fusobacterium 148
—	necrophorus 170
|6 Заказ № 1<й
Gallionella ferruginea 208
Gluconobacter oxydans 184
Haemophilus 176
— influenzae 117, 118, 147, 221
Halobacterium 27, 32, 79, 86, 87
— salinarium 29, 33, 71, 86
Halococcus 79, 86, 87
Halomonas 84
Holospora 154	,
—obtusa 155
— undulata 155
H yphomicrobium 99, 100, 205
—vulgare 141
Klebsiella
— aerogenes 113, 116, 231
— pneumoniae 87, 233
Lactobacillus 54, 79, 94
—	acidophilus 106
—	bulgaricus 54
—	casi'i 143
—	delbriickii 54
—	luctis 54
—	plantarum 144, 184
—	viridescens 52
Legionella 181
— pneumophila 147, 221
Leptospirillum ferroxidans 147
Leptothrix 95, 99
Leucot hrix mucor 134, 135
Lieskeella bifida 209
Listeria monocytogenes 52
l.yticum 157
M astigocladus laminosus 58
Metallogenium 95, 99, 150
—	personatum 96
Methanobacillus omelianskii 145
Methanobacterium
—	ruminantium 56
thermoautotrophicum 146
Methanobrevibacter ruminantium 146
Methanococcus jannaschii 56, 61
Methanothermus fervidus 61
Methanospirillum hungatei 146
Microbispora 55
Micrococcus 51, 99, 168
—	cryophilus 43, 49
— denitrificans 29
—luteus 109, 131
—	lyzodeikticus 72
—	psychrophilus 50
Microcyclus 99
Microcystis aeruginosa 207
Micropolyspora 55
Mycobacterium
—	globi forme 132
lacticolum 229
— leprae i 75
Mycoplasma capricolum 224
Myxococcus 223
— xanlhtis 34, 35
Neisseria 223
— gonorrhoeae 43, 118
— meningitidis 117, 147
Neoricketfsia helminthoeea 164
Nevskia ramosa 205, 207
Nitrobacter 51
Nitrosomonas 51
Nocardia 210
— asteroides 91
Ochrobium 99
—	tectum 208
Oscillatoria
—	agardhii 207
—	limnetica 31, 207
—nibescens 207
Pasteuria 100
Pedomicrobium 8, 100
Pelochromatium roseutn 118
Photobaclerium 99
—	fischeri 173
— leiognathi 173, 174
—	phosphoreum 173
Phyllobacterium 193
Planctomyces 99, 100
Propionibacterium 168
—	shermanii 144
Prosthecomicrobium 100
Protaminobacter ruber 32
Ptoteus 51
—	vulgaris 96
Pseudocaedibacter 157
Pseudomonas 27, 32, 38, 46, 50—52,
84, 99, 103, 144, 166, 193, 223
—	aeruginosa 29, 43, 46, 51, 77, 84,
117, 129, 170, 176, 199, 224
—	fluorescens 43, 51
—	putida 34, 115
—	pyocyanea 18
—	solanacearum 194
—	syringae 52
Pseudonocardia 55
Pyrococcus juriosus 43, 60
Pyrodictium 60
— brockii 59
— occultum 43, 59
Rhizobium 128, 187, 194, 223
— leguminosarum 189, 192
— meliloti 192
— phaseoli 188, 192
— trifolii 187—189, 192
Rhodobacter sphaeroides 108
Rhodopseudomonas
— sphearoides 225
Rhodospirilluin 223
Rickeltsiella 180
Ruminococcus 169
—	albus 169
—	flavefaciens 169
Saccharomonospora 55
Salmonella
— paratyphi 224
— typhimurium 35, 121, 125, 129
Sarcina ventriculi 76
Selenomonas ruminantium 146
Seliberia 8, 100
Serratia marcescens 29, 87, 199, 233
Shigella 224
— dysenleriae 226
Siderococcus 95
Shnonsiella 137
Sphaerotilus natans 131
Sphaerotilus natans 214
Spirillum 79, 141, 144
Sporosarcina ureae 68, 69
Stella 100
Slibiobacler 16
Staphylococcus 79, 99, 117, 168
— aureus 29, 87, 96, 112, 113, 167,
168, 199, 223
—	epidermidis 29, 168
—	hominis 168
Streptococcus 51, 176
—	faecalis 67, 71, 72, 87, 106
—	faeciam 77
—	mutans 133
—	pneumoniae 223
—	rallus 77
Streptomyces 55, 166
Sulfolobus acidocaldarius 57, 60, 68,
69, 70
Sulfobacillus thermosulfidooxidans 60
Synechococcus 87, 115, 202
—	lividus 58
Synechocyslis 87
Syntrophobacter wolinii 146
Syntrophomonas wolfei 146
Tectibacter 157
Thermoactinomyces 55
—	vulgaris 63
Thertnoanaerobacter ethanolicus 59
Thermoanaerobium brockii 59
Thermobacteroides aceloethylicus ,59
Therrnomicrobium roseuin 59
Thermomonospora 55
Thermoplasma acidophilum 57, 60, 61,
68, 69, 70, 75
Thermoproteus tenux 59
Thermophilum pendens 59
Thermothrix thiopara 60
Thermotoga maritime 59
242
Thermus 58, 63
— aquations 43, 58, 63
—	jlavus 58
—	ruber 58
—	thermophilus 43, 63, 65
Thiobacillus 27, 70, 141, 143
—	acidophilus 68, 69, 75, 147
—	kabobis 68
—	ferroxidans 68, 71, 72, 147
—	neapolitanus 143
—	organoparus 68, 147
— thiooxydans 68, 74, 132, 147
Thiodendron 100
Thiospira 95, 209
T hiomicrospira 141
Treponema 93
—	denticola 93
—	pallidum 175
Vainpirofibrio chlorellaeorus 150
Veillionella parvula
Vibrio 43, 50, 51, 84, 99, 103, 104,
166, 223
—	alginolyticus 75, 128
—	cholerae 43, 129
—	• coslicola 84
—	harvey 75
—	marinus 43, 45
—	psychroerythrus 45
Vibrion butyrique 5
Vitreoscilla 95
Xanthomonas 193
—	oryzae 128
Xcnorhabdus 165
—	lurninescens 165
Yersinia
—	peslis 180, 200
—	ruckeri 221
Zoogloea ramigera 214
16*
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
К главе I
Вернадский В. И. Избранные сочинения. М., 1960. 702 с.
Виноградский С. Н. Микробиология почвы. М., 1952. 792 с.
Заварзин Г. А. Сергей Николаевич Виноградский. К 100-летню откры-
тия хемосинтеза //Природа. 1986. № 2. С. 71—85.
Кузнецов С. И. Развитие идей С. Н. Виноградского в области эко-
логической микробиологии. 11-е чтение им. С. И. Виноградского. М., 1974.
62 с.
Л а п о А. В. Следы былых биосфер. М., 1987. 205 с.
Перфильев Б. В., Г а б е Д. Р. Капиллярные методы изучения микро-
организмов. М.; Л., 1961, 534 с.
Плотников В. В. На перекрестках экологии. М., 1985, 208 с.
Экология в эволюционная теория / Под ред. Я. М. Галл. Л., 1984.
258 с.
К г л а в е 2
Александров В. Я. Клетки, макромолекулы и температура. Л., 1975.
329 с.
Биология термофильных микроорганизмов / Под ред. акад. А. М. Им-
шенецкого. М., 1986. 271 с.
Бриан Л. Е. Бактериальная резистентность и чувствительность к хн-
миопрепаратам. М., 1984. 270 с.
Глаголев А. Н. Таксис у бактерий//Успехи микробиол. 1983. Т. 18.
С. 163—192.
Гузев В. С., Левин С. В., Звягинцев Д. Г. Реакция микробной
системы почв на градиент концентрации тяжелых металлов // Микробиоло-
гия. 1985. Т. 54. Вып. 3. С. 414—420.
Жизнь микробов в экстремальных условиях /Под ред. Д. Кашнера.
М., 1981. 519 с.
Звягинцев Д. Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми по-
верхностями. М., 1973. 176 с.
Илялстдииов А. Н. Микробиологические превращения металлов.
Алма-Ата, 1984. 268 с.
Квасников Е. И., Исакова Д. М. Физиология термотолераитных
микроорганизмов. М., 1978. 166 с.
Летунов а С. В., Ковальский В. В. Геохимическая экология мик-
роорганизмов. М„ 1978. 146 с.
Логинова Л. Г., Егорова Л. А. Новые формы термофильных бак-
терий. М„ 1977. 173 с.
Логинова Л. Г. Анаэробные термофильные бактерии. М., 1982. 99 с.
Лях С. II. Адаптация микроорганизмов к низким температурам. М.,
1976. 159 с.
Молекулярные механизмы биологического действия оптического
излучения. М., 1988. 232 с.
Мурз а ко в В. Г. Вопросы экологии микрофлоры пустынных почв в
связи с проблемами космической микробиологии//Успехи микробиол. 1974.
№ 9. С. 96—124.
Никитин Д. И., Васильева Л. В., Л о х м а ч е в а Р. А. Новые и
редкие формы почвенных микроорганизмов. М., 1966. 71 с.
244
Писаренко Н. Ф. Некоторые механизмы адаптации микроорганизмов
к условиям низкой влажности//Успехи микробиол. 1977. № 2. С. 122—135.
Тарасов В. А. Молекулярные механизмы репарации и мутагенеза. М.,
1982. 225 с.
Франклин Т., Сноу Дж. Биохимия антимикробного действия. М.,
1984. 238 с.
Чижевский А. Л. Земное эхо солнечных бурь. М., 1976. 366 с.
Экологическая роль микробных метаболитов / Под ред. Д. Г. Звя-
гинцева. М., 1986. 240 с.
Brock Т. D. Biology of microorganisms. 3rd ed. Prentice Hall, 1979.
402 p.
Brown N. L. Bacterial resistance to mercury-rcduction ad absurdum?//
Trends Biochem. Sci. 1985. Vol. 10, N 10. P. 400—403.
Ca n i 11 a c N., Pommier M. T„ Go u not A. M. Effect de la tempe-
rature d’incubation sur la composition lipidiquc de Coryncbacteriacees du genre
Arthrobacter//Can. J. Microbiol. 1982. Vol. 28. P. 284—290.
Cob ley J. G., Cox J. C. Energy conservation in acidophilic bacteria//
Microbiol. Rev., 1983. Vol. 47, N 4. P. 579—595.
Fletcher M., Marshall К. C. Are solid surfaces of ecological signi-
ficance to aquatic bacteria?//Adv. Microb. Ecol. 1982. Vol. 6. P. 199—236.
Goodwin S., Zeikus J. G. Physiological adaptations of anaerobic
bacteria to low pH: Metabolic control of proton motive force in Sarcina ven-
triculi//J. Bacleriol. 1987. Vol. 169, N 5. P. 2150—2157.
Go u not A. M. Psychrophilic and psvchrotrophic microorganisms Ц
Experientia. 1986. Vol. 42. P. 1192—1197.
Griffin D. M. Water and microbial stress//Adv. Microb. Ecol. 1981.
Vol. 5. P. 91—136.
Irvin R. T., To M., Costerton J. W. Mechanism of adhesion of
Alysiella bovis to glass surfaces//J. Bacteriol. 1984. Vol. 160, N 2. P. 569—
576.
Krulwich T. A. Bioenergetics of alcalophilic bacteria//J. Membrane
Biol. 1986. Vol. 89, N 2. P. 113—125.
Kuznetsov S. I., Dubinina G. A., Lapteva N. A. Biology of
oligotrophic bacteria//Ann. Rev. Microbiol. 1979. Vol. 33. P. 377—387.
Little J. W., Mount D. W. The SOS regulatory system of Escherichia
coli//Cell. 1982. Vol. 29. P. 11—22.
Ljungdall L. G. Physiology of thermophilic bacteria//Adv. Micro-
biol. Physiol. 1979. Vol. 19. P. 1-19—243.
Morita R. Y. Starvation-survival of heterotrophs in the marine environ-
ment//Adv. Microbial. Ecol., 1982. Vol. 6. P. 171—198.
Oshima T. Molecular mechanisms of bacterial adaptation to high tem-
peratures // Molecular evolution, protein polymorphism and the neutral theory
/ Ed. Kimura. Tokyo; Berlin, 1982. P. 349—356. •
Padan E., Z i 1 b e r s t e i n D., S c h u 1 d i n e r S. pH homeostasis in
bacteria//Biochim. Biophys. Acta, 1981. Vol. 650. N 2—3. P. 151—166.
Poindexter J. Oligotrophy fast and famine existence//Adv. Microb.
Ecol., 1981. Vol. 5. P. 63—89.
S c h u 1 d i n e r S., Padan E. How does Escherichia coli regulate inter-
nal pH ?//Membranes and Transport. 1982. Vol. 2. P. 65—73.
S p u d i c h J. L., В о g о m о 1 n i R. A. Mechanism of colour discrimination
by a bacterial sensory rhodopsin//Nature (London). 1984. Vol. 312. P. 509—
К г л а в e 3
Беляков В. Д„ Голубев Д. Б., Каминский Г. Д., Тец В. В.
Саморегуляция паразитарных систем. Л., 1987. 239 с.
245
Г и тельзон И. И., Родичева Э. К., /Медведева С. Е. и др.
Светящиеся бактерии. Новосибирск, 1984. 278 с.
Калакуцкий Л. В., П а р и й с к а я А. Н. Азотфпксирующне симбиозы
актиномицетов с растениями//Изн. АН СССР. 1982. Сер. Биол., № 2.
С. 255—270.
Пирузян Э. С., Андрианов В. М. Плазмиды агробактерий и гене-
тическая инженерия растений. М., 1985. 279 с.
Румянцев С. Н. Микробы, эволюция, иммунитет. Л., 1984. 176 с.
Сорокин В. В., Тимошко М. А., Николаева А. В. Нормальная
микрофлора кишечника животных. Кишинев, 1973. 79 с.
Умаров М. М. Ассоциативная азотфиксации. М„ 1986. 133 с.
Шильникова В. II., Серова Е. Я. Мнкроорганизмы-азотонакопитс-
ли на службе растений. М., 1983. 150 с.
Dowling D. N., Broughton W. J. Competition for nodulation of
legumes//Ann. Rev. Microbiol. 1986. Vol. 40. P. 131—158.
Eredrickson A. G., Stephanopolus G. Microbial competition//
Science. 1981. Vol. 213. P. 972—979.
Matthysse A. G. Mechanisms of bacterial adhesion to plant surfaces
// Bact. Adhes.: Meeh, and Physiol. Significance. 1985. P. 255—278.
McCambridge J., McMeekin T. A. Relative effects of bacterial
and protozoan predators on survival of Escherichia coli in estuarine water
samples //AppL Environment. Microbiol. 1980. Vol. 40, N 5. P. 907—911.
Sharif i E. Parasitic origins of nitrogen-fixing Rhizobium-Iegume sym-
bioses: A review of the evidence//Biosystems. 1984. Vol. 16. P. 269—289.
Southward A. .1., Southward E. C., D a n о P. R., Barrett R. L.,
Ling R. Chemoautotrophic function of bacterial symbionts in small pogono-
phora//J. Mar. Biol. Ass. U. K. 1986. Vol. 66. P. 415—437.
К г л а в e 4
Виноградский С. II. Микробиология почвы — проблемы и методы.
M„ 1952. 792 с.
Голубовская Э. К. Биологические осноны очистки воды. М, 1978.
268 с.
Горленко В. М., Дубинина Г. А., Кузнецов С. И. Экология
водных микроорганизмов. М., 1977. 288 е.
Заварзин Г. А. К понятию микрофлоры рассеяния в круговороте
углерода//Жури, общей биол. 1970. Т. 31, № 4. С. 386—393.
Звягинцев Д. Г. Почва и микроорганизмы. М., 1987. 256 с.
Звягинцев Д. Г., Гол им бет В. Е. Динамика микробной числен-
ности биомассы и продуктивность микробных сообществ в почвах//Успехи
микробиол. 1983. Т. 18. С. 215—231.
Ко ж ев ин П. А. Экология микроорганизмов: эксперименты в приро-
де // Природа. 1985. № 7. С. 78>—85.
Мишустин Е. Н. Ассоциации почвенных микроорганизмов. М., 1975.
106 с.
Мишустин Е. Н. Развитие учения о ценозах почвенных микроорга-
низмов//Успехи микробиол. 1982. Т. 17. С. 117.
Мишустина И. Е., Щеглова И. К, Мицкевич И. Н. Морская
микробиология. Владивосток, 1985. 184 с.
Почвенные организмы как компоненты биогеоценоза. М., 1984.
247 с.
Печуркин II. С. Динамика малых миквобных экосистем и их звеньев.
Новосибирск, 1981. 160 с.
Ротмистров М. П., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробио-
логия очистки воды. Киев, 1978. 266 с.
Хесин Р. Б. Непостоянство генома. М., 1985. Гл. 3. С. 36—115.
Mason Т. G., Richardson G. Escherichia coli and the human gut:
some ecological considerations//J. AppL Bacterio!. 1981. Vol. 1. P. 1—16.
246
О Г Л А В Л Е Н И В
Предисловие ............	3
Глава 1. Из истории развития экологической бактериологии .	.	5
§ 1.	Возникновение экологии бактерий .....—
§ 2.	Развитие основных направлений экологической бактериоло-
гии ......................................................7
Почвенная микробиология................................—
Микробиология пресных водоемов .	.	.	...	]2
Морская микробиология.................................14
Геомикробиология .	.	.	.	.	.	...	16
§ 3.	Исследования взаимоотношений бактерий с другими орга-
низмами ................................................17
Бактерии	и	другие микроорганизмы......................—
Бактерии	и	растения ................................ 19
Бактерии	и	животные..................................20
§ 4.	Бактерии	и биосфера................................22
Глава 2. Аутэкология бактерий................................26
Определение понятий .	.	  —
§ 1.	Земное тяготение.................................  28
§ 2.	Магнитные поля ....................................29
§ 3.	Излучения..........................................30
Видимый свет...........................................—
Ультрафиолетовые лучи и ионизирующее излучение .	.	35
§ 4.	Солнечная активность...............................39
§ 5.	Гидростатическое давление..........................41
§ 6.	Температура........................................42
Кардинальные температуры...............................—
Психрофильные и пенхротрофные бактерии ....	45
Термофильные бактерии.................................53
Природа термоустойчивости бактерий	.	.	...	62
§ 7.	Концентрация ионов водорода........................66
Кислотность сред обитания бактерий . .	... —
Механизмы рН-гомеостаза ....... 71
Регуляция pH среды....................................76
§ 8.	Водная активность..................................78
Осмотические свойства растворов........................—
Матричный водный стресс...............................88
§ 9.	Молекулярный кислород	.......	89
§ 10.	Питательные вещества..............................97
§ 11.	Соединения	и ноны,	токсичные	для	бактерий	.	.	.	104
§ 12.	Адаптивные	реакции	бактерий.....................118
Реакция на стрессовые	воздействия	......	—
Хемотаксис............................................126
Адгезия .	-	....................................130
Глава 3. Биотические факторы ....	....	139
Определение понятий.....................................—.
§ 1.	Формы взаимоотношений бактерий .....	140
Конкуренция ................................................ —
Синтрофия..................................................144
Антагонизм................................................ 149
Бактерии — паразиты микробов и бактерии-хищники .	.	150
§ 2.	Взаимоотношения	бактерий с беспозвоночными животными 153
Симбионты простейших .	..........................—
Симбионты членистоногих .	.......................158
Симбионты погонофор, моллюсков, червей и губок .	.162
Выедание бактерий беспозвоночными..........................165
§ 3.	Взаимоотношения бактерий с позвоночными	животными .	166
Нормальная микрофлора организма позвоночных	—
Симбиозы светящихся бактерий...............................171
Бактерии-паразиты..........................................174
§ 4.	Взаимодействие бактерий и растений......................183
Бактерии, населяющие растения ......	—
Клубеньковые бактерии-симбионты............................187
Бактерии-паразиты..........................................191
Особенности взаимодействия с растениями бактерий рода
Agrobacterium..............................................194
Глава 4. Бактерии в сообществах ....	...	198
Определение понятий......................................—
§	1.	Ареалы бактерий.....................................199
§	2.	Бактериальные ценозы................................202
Особенности микроценозов.....................................—
Микроценозы пресных водоемов .	.	.... 205
Микроценозы почвы..........................................209
§ 3.	Экосистемы очистных сооружений ..... 212
§ 4.	Природные популяции бактерий............................214
Особенности бактериальных популяций ........................ —
Популяции Bacillus megaterium..............................217
Популяции Escherichia coli.................................218
Популяции патогенных бактерий..............................221
Механизмы, регулирующие гетерогенность бактериальных
популяций .	.	.'..................................223
§ 5.	Лабораторные популяции	бактерий.........................227
Заключение .......	.....	234
Предметный указатель...............................................236
Указатель латинских названий	бактерий .............. 240
Рекомендуемая литература...........................................244