Особенности деления бактерий на группы

Бактерии распространены на Земле как ни один другой вид живых организмов. Для удобства оперирования столь большими массивами информации исследователи делят все многообразие прокариотов на отдельные группы, формируя их по наличию сходных характеристик, при этом систематические группы бактерий могут быть образованы на основе признаков, зачастую не связанных между собой или случайных.

Таксономия

Наука, которая занимается разделением живых объектов по группам, называется таксономией, ее основоположником является К.Линней. Это именно он предложил биномиальную номенклатуру, когда название живого организма состоит из двух слов:

• имя рода, пишется с заглавной буквы;
• имя вида, всегда пишется с прописной буквы.

При написании биномиальных названий широко известных микроорганизмов допустимо использование сокращений. Например, Escherichia coli (кишечная палочка) принято записывать как E.coli.

Сам процесс классификации безъядерных микроорганизмов совершенствуется достаточно слабо, что связано с незначительным количеством морфо- и цитологических признаков бактерий. Попытки исследователей применить к систематике прокариотов методики, успешно работающие с другими живыми организмами, не показали высоких значений достоверности.

Основные систематики живых объектов

Систематика всего живого делится на два невзаимосвязанных типа:

• филогенетическая (естественная);
• практическая (искусственная).

Филогенетическая систематика

Естественная систематика базируется на выявлении родственных связей живых организмов между собой, а искусственная – на обнаружении сходных черт и характеристик с другими организмами, что позволяет провести идентификацию микроорганизма и определить, к какому таксону микроб относится.

Если для высших организмов существующая систематика применяется вполне успешно, то для классификации прокариотов она не совсем применима.

Этому есть объективные причины:

• специфика строения прокариотов не позволяет использовать методы, которые показали столь высокие результаты для высших организмов;
• в связи с простотой строения бактериальной клетки цитоморфологические исследования не являются информативными;
• биохимические методы систематики применительно к прокариотам не дают устойчивого результата, в связи с чем не могут быть использованы;
• применение методов филогенеза вообще под вопросом, так как отсутствуют очевидные сведения по эволюционному развитию бактерий и т.д.

Практические систематики

Несмотря на определенные проблемы, микробиология совершенствуется, накапливает знания о мире прокариотов, что позволяет изменять и совершенствовать их классификацию.

Поэтому нет ничего странного в том, что различные систематики и подразделения микроорганизмов на группы носят в большей степени диагностический характер. По своей сути они являются искусственными формированиями.

Первая классификация прокариотов основывалась на морфологических признаках (Кон Ф., 1872 г.) и учитывала только внешнее строение:

• кокки;
• палочки короткие;
• палочки длинные;
• спирали.

Достаточно быстро было обнаружено, что для разделения бактерий по таксономическим группам одной морфологии недостаточно.

Чтобы отнести микроорганизм к той или иной группе, необходима максимально полная информация по целому ряду вопросов.

1. Внешнее строение бактериальной клетки.

Для определения группы бактерии изучают ее внешний вид, куда входят:

• наличие или отсутствие жгутиков, пилей, а также их расположение, что определяет для микроорганизма возможность двигаться;
• возможность образования капсул;
• способность формировать спору.

2. Внутренняя структура бактериальной клетки.

Тело бактерии ограничено в пространстве одной или несколькими мембранами, внутренняя носит название цитоплазматической, а пространство между внешней и внутренней мембранами заполнено периплазмой.

В свою очередь, цитоплазма бактериальной клетки подразделяется на 2 фракции:

• гомогенная, называемая также цитозолем, содержит растворимые компоненты (РНК, белки, продукты метаболических внутриклеточных реакций);
• структурные включения – хромосома, цитоскелет, газовые везикулы, гранулы питательных веществ и др.

3. Физиологические особенности.

Физиология прокариотов подразумевает процессы питания, дыхания, энергетического обмена.

Именно физиологические показатели чаще всего используются для формирования групп бактерий, обладающих сходными свойствами на основе общих процессов.

Разделение по типу питания

Питание микроорганизмов происходит благодаря диффузии через оболочки бактерии растворенных в воде питательных веществ. Для поглощения сложных соединений бактерия выделяет ферменты, расщепляющие сложное соединение вне клетки бактерии с последующей диффузией образовавшихся питательных веществ.

По способу питания все бактерии подразделяют на 2 группы:

• автотрофы – микроорганизмы синтезируют органику из неорганических элементов и соединений – углекислый газ (СО₂), вода (Н₂О) и др.;
• гетеротрофы – питаются органическими соединениями.

Автотрофы

В свою очередь, группы автотрофных (или аутотрофных) микроорганизмов, использующих для питания неорганику, разделяют на 3 группы, отличающиеся источником энергии для синтеза:

• фотосинтезирующие бактерии (используют световую энергию);
• хемосинтезирующие микроорганизмы (применяют энергию реакций окисления);
• метилотрофы – используют энергию метаболизма соединений углерода, содержащих метильную группу.

Фотосинтез бактерий

Процесс фотосинтеза у бактерий, как энергетическая составляющая процесса питания, возможен благодаря наличию у пигментсодержащих серобактерий специфического пигмента – бактериохлорофилла.

Механизм процесса имеет много общего с фотосинтезом растений. Только у фотосинтезирующих серобактерий донором водорода выступает сероводород, в отличие от воды у зеленых растений. Но в обоих случаях дегидрогенизация (отщепление водорода) происходит под воздействием солнечной энергии. Типичными представителями группы фотосинтезирующих бактерий являются пурпурные, зеленые и цианобактерии.

Цианопрокариоты

Группа цианобактерий состоит из крупных грамотрицательных фотосинтезирующих бактерий, наиболее близких к древним микроорганизмам.

Группа цианобактерий крайне неоднородна по составу – общим для всех цианобактерий является только наличие оболочки из пептидогликана и отсутствие жгутиков.

По размеру величина клеток цианобактерий различается от 0,5 до 100 мкм, возможны одноклеточные, нитчатые и колониальные виды цианобактерий.

Современная кислородсодержащая атмосфера является результатом жизнедеятельности цианобактерий – более 2 млрд лет назад изменение состава атмосферы дало толчок к развитию биосферы планеты.

Сегодня вклад цианобактерий в производство атмосферного кислорода оценивается как приближающийся к 40%.

Ранее фотосинтезирующие цианобактерии причислялись к растениям, в частности к сине-зеленым водорослям. Но бактериологические методы исследования установили принадлежность фотосинтезирующих цианобактерий к царству прокариотов.

Хемосинтезирующие микроорганизмы

Группа хемоавтотрофов не зависит от света как источника энергии для синтеза органики, а использует энергию, выделяющуюся при окислении соединений неорганики: сероводорода, аммиака, закисных соединений марганца и железа.

Хемоавтотрофы делятся на группы в зависимости от применяемого источника энергии.

Наиболее значимой группой хемоавтотрофов считают нитрифицирующие бактерии почвы. Они являются типичными сапрофитами – существуют в почвенном слое планеты и окисляют образующийся при разложении органических соединений аммиак до азотной кислоты с последующим превращением в соли азотной кислоты (нитраты).

К другой группе бактерий хемоавтотрофов относятся железобактерии, которые окисляют оксид железа II до оксида железа lll с последующим образованием гидроксида железа lll, из которого и образуется болотная железная руда.

Железобактерии в реке

Представителями группы хемоавтотрофов являются серо- и железобактерии, нитрифицирующие и водородные бактерии.

Гетеротрофы

Бактерии-гетеротрофы тоже подразделяют на 2 группы, критерием деления является источник органики для питания:

• сапрофиты – бактерии экологические санитары, перерабатывающие отмершую органику;
• паратрофные бактерии – питаются органическим веществом живой клетки своего хозяина.

Сапрофиты

Сапрофиты не зря считают санитарами планеты, их роль в биосфере невозможно переоценить. Бактерии перерабатывают всю отмершую органику планеты, разлагают сложные органические соединения на углекислый газ и воду, возвращая тем самым в процессе питания в круговорот вещества простые органические соединения, пригодные для усвоения другими живыми организмами планеты.

Сапрофиты могут быть как облигатными анаэробами (маслянокислые, целлюлозные бактерии), так и факультативными анаэробами (пропионово- и молочнокислые бактерии).

Свойство бактерий-санитаров разрушать органические отходы используется при строительстве очистных сооружений. Однако, попадая в организм человека, бактерии-санитары могут проявить патогенность.

Паратрофы

Паратрофы делят на 2 группы по характеру взаимоотношений с хозяином на:

• симбионты (сожители) – взаимовыгодное существование хозяина и бактерий-паратрофов; классический пример – настоящее содружество клубеньковых бактерий и бобовых растений;
• паразиты (нахлебники) – бактерии существуют внутри хозяина за счет его питательных веществ.

Симбионтами человека считают бактерии, формирующие его нормальную микрофлору. Микроорганизмы, составляющие для человека группу бактерий-симбионтов, количественно можно оценить как 500 различных видов. Они плотно заселяют организм человека – слизистые оболочки, кожа, желудочно-кишечный тракт. Наличие бактерий-симбионтов не позволяет болезнетворным микроорганизмам проникнуть в организм, они участвуют в процессе усвоения пищи и в синтезе ряда необходимых организму человека витаминов.

Обычно паразиты являются болезнетворными бактериями с различными уровнями патогенности и вызывают у хозяина различные патологии – бактериозы.

Бактерии-паразиты, попав в организм человека, вызывают дизентерию, ангину, холеру и другие инфекционные заболевания. Болезнетворное воздействие, которое бактерии-паразиты оказывают на организм хозяина, связано с тем, что выделяемые в процессе жизнедеятельности этими микроорганизмами ферменты являются для носителя эндогенными (внутренними) токсинами.

Ферментативная активность микроорганизмов

Ферменты являются катализаторами всех биохимических процессов, протекающих в клетке бактерии, и обладают свойством специфичности.

Ферменты, выделяемые клеткой, по территориальному признаку можно разделить на две большие группы:

• экзоферменты – выделяются бактерией для внеклеточного переваривания в окружающую среду;
• эндоферменты – катализаторы внутриклеточного метаболизма.

Все ферменты клетки бактерии делят на две группы по степени саморегуляции:

• конститутивные – продуцируются постоянно;
• адаптивные – синтезируются при необходимости вмешательства в процесс; делятся на ингибируемые (подавляющие) и индуцируемые (усиливающие).

Патогенность микробов также определяется ферментами – патогенные бактерии способны продуцировать ферменты, которые являются факторами вирулентности.

Бактерии продуцируют только определенные ферменты, это постоянный признак, его успешно используют для идентификации микроорганизма.

Дыхание бактерий

Большинство бактерий для биохимических реакций используют энергию окисления с участием кислорода воздуха.

В зависимости от того, используют ли микроорганизмы кислород в своей биохимии и в какой степени, их подразделяют на следующие группы:

• облигатные аэробные бактерии – кислород необходим для жизнедеятельности, энергию получают только от реакций с кислородом;
• факультативные анаэробные бактерии – промежуточная группа, в зависимости от условий среды могут вести себя как аэробы или анаэробы; почти все бактерии, обладающие патогенностью, относятся к факультативным анаэробным микроорганизмам;
• облигатные анаэробные микроорганизмы – развиваются и размножаются только в бескислородной среде.

Большая часть прокариотов, проявляющих патогенность, является анаэробными.

Основная часть анаэробных бактерий, проявляющих патогенность, приходится на следующие группы:

• бактероиды (грамотрицательные палочковидные облигатные анаэробные микробы);
• фузобактерии (грамотрицательные палочковидные облигатные анаэробные микробы слизистой оболочки и кишечника);
• пептококки (грамположительные сферические облигатные анаэробные микробы) и др.

Возбудителем анаэробной инфекции чаще является не один бактериальный вид, а ассоциации микроорганизмов, проявляющие патогенность.

4. Биохимические свойства.

Несмотря на близкий химический состав и физиологическое сходство разных бактериальных клеток, микроорганизмы обладают значительным разбросом значений биохимических свойств.

Основные биохимии микроорганизмов рассматриваются как взаимодействие прокариотов со следующими группами веществ:

• расщепление питательных веществ;
• взаимодействие с антибиотиками;
• синтез витаминов;
• синтез ферментов;
• выделение газов как продуктов жизнедеятельности.

Учитывая различия биохимии разных безъядерных организмов, использование специальных питательных сред делает возможным разделение бактериальных культур не только по видовой принадлежности, но и на штаммы.

Метод Грама

Широко распространенный метод дифференцирования микробов, основанный на различиях в биохимических свойствах стенок клетки.

Окрашивание по Граму позволяет разделить бактерии на 2 группы:

• грамположительные – сохраняют окраску и не обесцвечиваются при промывке; значительная часть бактерий с высокой патогенностью относится к грамположительным;
• грамотрицательные бактерии не окрашиваются анилиновыми красителями.

5. Влияние на внешнюю среду.

По воздействию на организм человека бактерии можно разделить на 3 группы:

• непатогенные – микробы, не способные вызвать болезнетворные проявления, чаще всего экологически нейтральные;
• условно-патогенные – проявляют болезнетворные свойства при определенных условиях;
• патогенные – микроорганизмы, вызывающие инфекционное заражение.

Бактериальная патогенность определяется как потенциальная способность вызывать инфекционное заболевание; это свойство для данного микроорганизма является видовым генетическим признаком.

Так, бактерия бета-гемолитического стрептококка способна вызвать ангину, реже причиной инфекции являются грамотрицательные бактерии и стафилококки.

Возбудитель ангины может попасть в организм как снаружи, так и изнутри:

• воздушно-капельный или контактный путь инфицирования;
• хронические заболевания с миграцией патогенной микрофлоры к миндалинам.

Значение патогенности – вирулентность – отражает количественную характеристику токсичности.

Каждому штамму патогенных микробов соответствует своя вирулентность, которая определяется в критериях высоко-, умеренно-, слабовирулентные и авирулентные (нетоксичные) штаммы.

Патогенность определяется четырьмя разными свойствами:

• инфекциозностью – способностью болезнетворных микроорганизмов проникать в организм и вызывать поражение;
• инвазивностью – способностью микробов преодолеть защитные силы организма;
• токсигенностью – выработкой экзотоксинов;
• токсичностью – наличием эндотоксинов.

Опираясь на настоящие значения исследований, проводят классификацию микроорганизмов.

Родственные бактериальные организмы группируются с использованием общепринятых таксономических характеристик – от царства к виду, последний является главной классификационной категорией всех прокариотов планеты.

В свою очередь, вид также делится на группы:

• морфовары – имеются различия по морфологии;
• биовары – отличаются биологические свойства;
• хемовары – имеются различия по ферментативной активности;
• серовары – отличаются антигенные структуры;
• фаговары – по чувствительности к фагам.

Различные систематики

Наиболее признанными являются следующие систематики:

• «Определитель бактерий и актиномицетов» Красильникова Н.А.;
• «Определитель бактерий» Берга Д.Х., 9-е издание.

Определитель бактерий Красильникова

В 1949 году Красильников Н.А. предложил систему деления микроорганизмов на группы.

Он выделил 4 класса прокариотов:

1. Истинные – живые организмы с неветвящимися структурами, включают в себя порядки:

• эубактерии;
• железобактерии;
• хламидобактерии
• серобактерии.

2. Актиномицеты – характерно наличие ветвящегося мицелия.

3. Миксобактерии – образуют микроцисты, движение осуществляется скольжением.

4. Спирохеты – грамотрицательные хемоорганогетеротрофы, клетка бактерии выглядит как длинная и тонкая спираль.

Определитель бактерий Берга (Берджи)

Определитель Берджи является периодическим изданием, которое выпускает Общество американских бактериологов. Первый выпуск издания состоялся в 1923 г., а последнее, девятое, издание представляло собой четырехтомный труд и появилось в интервале 1984-1989 гг.

Девятое издание определителя Берджи делит все известные прокариоты на 33 группы по легко определяемым признакам (культуральным, физиологическим и др.).

Дифференциация проводится по двум критериям:

• толщина клеточной стенки;
• окраска по Граму.

Определитель подразделяет все микроорганизмы на 4 категории:

• тонкостенные грамотрицательные;
• толстостенные грамположительные;
• бесклеточные бактерии (микоплазмы и др.);
• архебактерии.

Определитель не является классификацией микроорганизмов, а представляет собой искусственную систематику, где собраны все известные бактерии.

Его основная ценность в том, что определитель Берджи – самое современное и полное пособие по идентификации всех известных бактерий.

Светлана

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.