Большинство видов бактерий представлено одноклеточными формами. Бактериальные клетки в длину от долей до 10 мкм. Среди бактерий по форме различают палочковидные — бациллы, шаровидные — кокки и спиральные — вибрионы. Бациллы имеют вид отдельных палочек или длинных цепочек, состоящих из связанных между собой палочек. Простейшие первичные формы дают ряд комбинаций.
Такие же случаи известны и в мире неживой природы: удлиненные формы, шарообразные и спиральные, типичны для нее. Бактериальная клетка заключена в плотную жесткую оболочку, которая состоит из структурных единиц диаметром 50—1140 нм, расположенных в виде правильных шестиугольников или прямоугольников. В ряде случаев сама клетка облегается снаружи слизистой капсулой, являющейся дополнительным защитным слоем. В протоплазме бактериальных клеток находятся рибосомы, гранулы гликогена, белков и жиров, но отсутствуют митохондрии и эндоплазматическая сеть. Здесь нет четко выраженного ядра, а ДНК располагается в так называемой ядерной зоне, причем палочковидные бациллы имеют даже по два и более ядра на одну клетку. Размножение бактерий происходит обычно бесполым путем деления клеток на две. Отдельные виды бактерий могут делиться очень быстро — за 20—30 мин.
При неблагоприятных условиях многие бактерии переходят в состояние покоя. Отдельные виды (в форме спор) переносят весьма жесткие условия засухи, жары или холода. При образовании спор клетка ссыхается, но как только условия становятся благоприятными для роста, спора поглощает воду, разрушает внутреннюю оболочку и превращается в бактериальную клетку. Например, бациллы сибирской язвы сохраняют жизнеспособность после 30-летнего пребывания в виде спор. Процессы обмена веществ у бактерий регулируются множеством ферментов. Лишь небольшое количество бактерий автотрофны, т. е. синтезируют необходимые для них органические соединения из простых минеральных веществ окружающей среды. Большинство бактерий относится к сапрофитам и добывает себе пищу из Мертвых тел растений и животных или из органических веществ, синтезируемых животными и растениями, либо паразитами внутри или на поверхности растительных и животных организмов. Различают аэробные бактерии, которые используют в процессе дыхания атмосферный кислород, и анаэробные, растущие в отсутствие свободного кислорода.
Вирусы были открыты в 1892 г. нашим соотечественником ботаником Д. И. Ивановским. Но в оптический микроскоп их нельзя было рассмотреть. Вирусы можно наблюдать только в электронный микроскоп. Это, вероятно, самые маленькие существа на нашей планете — их размеры находятся в диапазоне от нескольких до сотен нанометр ров. Наиболее простые вирусы имеют сердцевину — нуклеиновую кислоту, окруженную белковой оболочкой. Нуклеиновая кислота обусловливает специфичность вируса, а белковая оболочка служит для защиты нуклеиновой кислоты.
Вирусы и бактериофаги трудно отнести к растениям или к животным. У вируса нет своих, имеющихся даже у бактерий, систем и реакций обмена веществ. Он неспособен размножаться без помощи живой клетки. Вирусы имеют различные размеры и форму. Вирусы фактически являются крупными частицами нуклеопротеидов (сложные белки, представляющие собой соединения нуклеиновых кислот с простыми белками; важнейшая часть клеточных ядер), которые проникают в определенные, специфические для них животные, растительные или бактериальные клетки и «размножаются», образуя многочисленные новые вирусные частицы. Вне клетки хозяина вирусы инертны; некоторые из них были разложены на составные части, напоминающие кристаллы.
В 1955 г. У. Стэнли изолировал и кристаллизовал вирус табачной мозаики, а в 1956 г. ему удалось разделить вирус на основные компоненты — белок и нуклеиновую кислоту и затем воссоединить их с образованием активного вируса.
Трудности, возникающие при решении вопроса о том, являются ли эти формы живыми или неживыми, обусловлены также отсутствием четкого определения жизни. Вирусы могут размножаться только в среде, создаваемой живыми клетками. Но вирусные частицы не размножаются обычным путем. Проникая в клетку хозяина, вызывают глубокие изменения в обмене веществ этой клетки, что приводит к образованию новых вирусных частиц. При экспериментах вирусы выращивают в оплодотворенном курином яйце или в клетках, растущих в культуре тканей. Вирусы разных типов поражают лишь специфические для них части организма, так как могут размножаться только в определенных клетках. Заражение клетки одной вирусной частицей препятствует заражению ее другим вирусом. Они во многом отличаются от клеток своей правильной формой. Правильные формы вирусов — фагов, их «пружинки» на хвостах — «шприцах» показаны на рисунке.
Формы фагов (по материалам биологов).
а — структура фага Т4. Вверху — электронная фотография бактериофага Т4, увеличение 370 тыс. Внизу — схема строения фаговой частицы и отдельных ее «деталей» (1 — головка, 2 — шейка и воротничок, 3 — стержень, 4 — оболочка, 5 — концевая пластинка, 6 — хвостовые нити, 7 — клеточная оболочка); б — группа фагов (некоторые из них засняты до, а другие после освобождения пружинки хвоста)
На фотографии показан фаг Т4 — вирус, который может заразить бактерию. Как это происходит? Вирус закрепляется на оболочке бактерии и через оболочку протягивает свою тонкую ниточку ДНК. Ниточка ДНК, попав внутрь бактерии, удваивается, и вокруг нее, как около затравки кристалла, собирается из питательного раствора — протоплазмы бактерии — белковая оболочка. Готов новый вирус. До 300—400 фагов может появиться внутри бактерии за 30 мин. В процессе построения нового фага ученые нашли в ДНК группы генов, которые являются центрами, ответственными за синтез (кристаллизацию?) определенной группы белков: одни — за оболочку, другие — за хвостик. Так из частей — блоков, более или менее крупных, собирается вирус. А как строится кристалл из блоков — кластеров, знают кристаллографы.
В свою очередь, частицы-вирусы соединяются вместе и принимают вид кристаллов. Так, для вируса табачной мозаики палочковидные частицы вируса соединяются в кристаллы шестигранной формы.
Генетикам удалось сконструировать микроб с заранее заданными свойствами, который будет с жадностью пожирать разлитую на поверхности воды нефть и тем самым активно бороться с загрязнением.
Геология тоже связана с миром бактерий, причем самым тесным образом. В результате микробиологических исследований рыхлых аллювиально-делювиальных образований редкометалльных месторождений было установлено, что образование широких ареалов рассеяния металлов, мигрирующих в коре выветривания, главным образом в форме солевых растворов, также согласуется с широким распространением в этих отложениях тионовых бактерий, что свидетельствует об участии этих микроорганизмов в образовании растворимых форм металлов. Роль биогенного фактора в осадочном рудообразовании очень велика. Обитающие в земной коре (в частности, в подземных водах) микроорганизмы участвуют в окислительных и восстановительных процессах, связанных с преобразованиями рудного вещества.
В результате исследований состава микрофлоры редкометалльных молибденовых месторождений Казахстана было установлено, что подземные воды, руды и породы этих месторождений заселены тионовыми бактериями (палочковидные бактерии, развивающиеся при окислении восстановительных соединений серы). Кроме того, в них обнаружены сульфатовосстанавливающие бактерии, главным образом в подземных водах, — анаэробные микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Стадия рудообразующего процесса, связанная с окислением сульфидных минералов, заключенных в породах, протекает при высоком окислительно-восстановительном потенциале, когда активно развиваются тионовые бактерии, стимулирующие образование и вынос окисных водорастворимых форм металлов. Тионовые бактерии, участвующие в указанном процессе, — это автотрофы, питающиеся химическими, в данном случае неорганическими, соединениями. Для их развития не нужно органического вещества, так как эти бактерии способны строить свое тело из углерода углекислоты за счет энергии окисления различных минеральных соединений серы, к числу которых относятся сероводород и сульфиды. Ныне установлено, что для каждого металла в природе имеется бактерия, способная его «поедать». Бактерии, «поедающие» металлы, по-видимому, стоят еще на один шаг ближе к неживой природе, чем бактерии, питающиеся органическими веществами.
Вопрос о происхождении вирусов сложен. Идет дискуссия о том, какими были древние формы вирусов, находящиеся на грани между живым и неживым, и насколько они соответствуют современным вирусам. Другая точка зрения состоит в том, что вирусы имеют как бы вторичное происхождение, развиваясь из патологически измененных частей клеток как животных, так и растений. К этому вопросу мы вернемся при рассмотрении изменений, происходящих с газово-жидкими включениями в кристаллах.
Вместе с тем в биологических книгах иногда мелькают догадки: не есть ли вирус некая переработанная форма клетки? В последнее время удалось проследить отдельные связи вируса с клеткой. В ряде случаев, изучая нормальные клетки птиц и млекопитающих, которые культивировались в лабораторных условиях, ученые наблюдали появление в них вирусных частиц. В лабораторных условиях вирусы были получены из нормальных клеток кур, фазанов, мышей, крыс, хомяков, морских свинок, кошек, свиней, павианов. А можно ли выделить вирус из каждой клетки? Отдельными экспериментами было показано, что можно. Отсюда следовал вывод о потенциальной возможности образования вируса из каждой клетки.
Из опытов следует, что гены, которые кодируют образование частей вируса, являются частью нормального клеточного генома. Что касается белка, из которого состоит чехол вируса, то скорее всего это просто оболочка — нормальный белок, из которого строятся обычные мембраны нормальных клеток. Сам вирус в таком случае является переносчиком генетической информации между клетками организма и между организмами разных видов.
Действительно, вирус содержит часть генетической информации нормальной клетки, которая дает возможность воспроизводить нормальный белок. Такой подход позволяет ускорить эволюцию. Представьте, что с помощью вируса происходит умножение числа копий генов и перемещение генетического материала в самой хромосоме или между хромосомами. У биологов вошел в обиход новый тезис: «Вирус — родное дитя клетки».
Тут с точки зрения геологии, а именно минералогии, появляются соображения о причинах появления таких форм, как вирусы. Немного опережая разъяснения, скажем, что и в минералах можно увидеть правильные формы, связанные с минимумом энергии.
Когда одного из основоположников современной отечественной биологии — Н. К. Кольцова спрашивали: вирус — живой или неживой, он отвечал: «Это как вам будет угодно». Он считал, что непроходимой грани между живым и неживым нет.
Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982