Более 80 лет назад ученые заметили, что бактерия устойчива к растворам кислот и щелочей.
Было высказано предположение о существовании наружного слоя, который защищает бактериальную клетку от вредных внешних воздействий. Эта «защитная одежда» клеток должна быть достаточно прочной, так как клетка не теряет своей формы даже после смерти. Сейчас удалось не только совершенно точно доказать существование у бактерий клеточной стенки, но и изолировать ее от всей остальной части клетки и даже измерить ее толщину.
Если обработать живые бактерии щелочью, некоторыми ферментами, поместить бактериальную клетку б струю горячей воды или короткое время встряхивать в смеси с мелким песком (3 тысячи встряхиваний в минуту), то клетка лопнет, и содержимое ее вытечет наружу. Отмыв его и поместив в электронный микроскоп, вы увидите пустой «мешок» — это и есть клеточная стенка.
Вес ее составляет 20% всей клетки. По новейшим данным, она имеет толщину, равную 200—600 ангстремам, и состоит из трех концентрических слоев. Наружный — липопротеиновый — содержит большое количество жиров, средний — липополисахаридный и, наконец, внутренний — ригидный слой, благодаря которому клетка и сохраняет свою форму. Этот слой состоит из белка и жесткого вещества мукоида. Тонкий химический и физико-химический анализы показали, что белковые молекулы стенки расположены на расстоянии 80 ангстрем друг от друга и сами имеют диаметр, равный 50 ангстрем. Между белковыми молекулами расположены липиды; они играют как бы цементирующую роль.
Такая сложная многослойная структура стенки не случайна. Внутри бактериальной клетки из-за присутствия солей органических соединений и воды создается высокое внутреннее давление, которому и противостоит упругая наружная стенка.
Среда, окружающая бактериальную клетку, таит в себе много вредоносных факторов. Поэтому, кроме стенки, многие бактерии окружены еще одним защитным слоем — слизистой капсулой. Толщина капсулы у некоторых бактерий вдвое превышает толщину самой клетки (пневмококк). Образование капсулы придает бактерии большую устойчивость к губительным воздействиям внешней среды. Таким образом, клеточная стенка и капсула служат бактерии надежной защитой от разнообразных вредных воздействий: солнечных лучей, давления и др.
Что же будет с бактериальной клеткой после удаления клеточкой стенки? Оказывается, если осторожно «раздеть» клетку, имеющую форму палочки, а это можно сделать с помощью лизоцима (фермент, который растворяет клеточную стенку), — она превратится в шар. Такие шарообразные бактерии, лишенные клеточной стенки, называют протопластами.
Протопласты — очень хрупкие образования. Они сохраняют свою форму лишь в концентрированных солевых растворах. В ином случае протопласты лопаются, и их содержимое выливается наружу. Если его удалить, то можно увидеть «тени» — цитоплазматическую мембрану, которая и удерживает цитоплазму после удаления клеточной стенки.
Цитоплазматическая мембрана имеет толщину около 50 ангстрем и составляет, так же как и стенка, около 20% веса клетки. Химический анализ изолированных и отмытых «теней» показал, что они состоят из липопротеинов.
Цитоплазматическая мембрана играет очень важную роль в жизни бактериальной клетки; она полупроницаема, то есть через нее проходят одни вещества и задерживаются другие. Именно она регулирует обмен веществ между бактериальной клеткой и внешней средой. Этот процесс заключается в поступлении в клетку из среды питательных веществ и выходе из клетки продуктов обмена.
Еще сравнительно недавно казалось, что проникновение веществ в бактерии зависит лишь от величины пор в мембране, растворимости проходящего вещества и электрических зарядов мембраны и вещества. Сейчас в цитоплазматической мембране установлено существование специальных ферментов, обеспечивающих перенос различных веществ из среды в клетку. Эти ферменты получили название пермеаз.
Таким образом, цитоплазматическая мембрана — сложный химический и физико-химический барьер клеточной проницаемости. Изучение ее структуры и функции очень важно для понимания механизма действия лекарственных веществ на клетку и для расшифровки механизмов обмена самой бактериальной клетки.
Если мы снимем с бактериальной клетки ее стенку и поместим образовавшийся протопласт в среду с низкой концентрацией солей, то в силу физико-химических законов вода начнет проникать внутрь протопласта. В результате резкого увеличения внутреннего давления цитоплазматическая мембрана разорвется, и содержимое протопласта выйдет наружу. Этот способ и был использован для выделения внутреннего содержимого — цитоплазмы бактерий, изучения ее свойств и составных частей.
Было найдено, что цитоплазма представляет собой прозрачную сиропообразную жидкость, вязкость которой в 8 тысяч раз превышает вязкость воды.
Уже давно в оптическом микроскопе при различных методах окраски в цитоплазме бактерий наблюдали довольно крупные гранулы. Неоднородность цитоплазмы была подтверждена при исследовании бактерий в фазовоконтрастном и люминесцентном микроскопах. Наиболее обстоятельно состав цитоплазмы был изучен методом дифференциального центрифугирования и в ультратонких срезах под электронным микроскопом.
Основная масса цитоплазмы состоит из очень мелких зерен диаметром 100—200 ангстрем — рибосом, где происходит синтез различных белков. Часть этих белков микроб использует как строительный материал для создания капсулы, стенки, цитоплазматической мембраны, самой цитоплазмы. Другая их часть — ферменты, которые являются катализаторами различных химических реакций.
Бактериальная клетка содержит огромное количество ферментов. Они либо прочно связаны с клеточной структурой, либо находятся в свободном состоянии. Некоторые из этих свободных ферментов выделяются из клетки наружу и разлагают сложные органические соединения на более простые вещества. Эти вещества затем могут поступать внутрь клетки и только в таком виде использоваться как питательные. Способность бактерий выделять наружу ферменты используется для промышленного получения этих ценных химических соединений.
У некоторых болезнетворных бактерий ферменты служат мощным оружием в борьбе с организмом человека. 30 лет назад из шарообразных бактерий — стрептококков (возбудителей ангины, сепсиса, гнойничковых поражений кожи) был выделен фермент, названный гиалуронидазой. Этот фермент разрушает гиалуроновую кислоту, входящую в состав живой ткани. Благодаря его действию бактерии могут быстро продвигаться в глубь ткани, захватывая все новые участки организма. За это свойство фермент гиалуронидаза получил название «фактор распространения».
Позднее ученые выделили гиалуронидазу из пневмококков, стафилококков, палочки дифтерии и газовой гангрены.
Различные бактерии отличаются друг от друга внутренним содержимым цитоплазмы. Так, у некоторых из них уже при обработке анилиновыми красителями в цитоплазме выявлялись крупные, резко очерченные глыбки диаметром около 0,6 микрона. Это зерна волютина — вещества, чрезвычайно богатого полифосфатами. В зернах волютина происходят интенсивные окислительные процессы. В палочке дифтерии зерна волютина настолько велики и располагаются так характерно (на обоих концах палочки), что по ним определяют эту бактерию под микроскопом.
В цитоплазме бактериальных клеток могут накапливаться различные питательные «вещества, которые в неблагоприятных условиях будут постепенно расходоваться. Эти своеобразные кладовые продуктов, или, как их называют, вакуоли, содержат жиры, зерна гликогена, крахмала, капли серы и др.
Некоторые бактерии содержат в своей цитоплазме разнообразные красящие вещества — пигменты.
Однажды на прибрежных скалах Гренландии моряки с изумлением обнаружили… красный снег. Советские ученые нашли на Новой Земле… зеленый снег! И в том и в другом случае в этой неожиданной раскраске снега были повинны бактерии: пигмент служил им защитой от действия солнечных лучей.
Энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности бактерий, образуется «в клетке в результате дыхания. По типу дыхания все бактерии делятся на две основные группы: 1) аэробные — развивающиеся только в присутствии кислорода и 2) анаэробные — развивающиеся только в бескислородной среде. Дыхание представителей той и другой группы осуществляется в виде сложных окислительно-восстановительных реакций. У первой группы в них принимает участие атмосферный кислород, у второй роль кислорода выполняют различные органические вещества. Процесс дыхания сопровождается выделением тепла. Все вы знаете, что влажное сено, навоз, торф и т. д. «самонагреваются». Виновники этого — бактерии.
У некоторых бактерий окислительные процессы в клетке сопровождаются выделением световой энергии. Свечение гнилого дерева, пищевых продуктов (мясо, рыба), морской воды — все это результат интенсивного окисления особых фотогенных веществ в теле бактериальной клетки. Более 60 лет назад светящихся бактерий предложили использовать как «безопасные лампы» в пороховых погребах и везде, где можно опасаться взрыва. А свечение моря рыбаки Северного Приморья используют, определяя местонахождение косяков рыбы.
У многих видов бактерий при неблагоприятных условиях жизни — обеднение среды питательными веществами, нарушении режима влажности, старении клеток — внутри цитоплазмы возникает участок уплотнения, вокруг которого, тоже из цитоплазмы, образуется двуслойная оболочка, плохо проницаемая для воды и других веществ. Этот процесс называют спорообразованием. Спора служит бактерии для сохранения вида. Споры очень устойчивы: температура 100° их не убивает. Для этого необходим пар при температуре 120°. В таких условиях их гибель наступает только через 20 минут. Споры могут сохраняться многие годы, и только попав в благоприятные условия дают начало вегетативной форме бактерии (прорастают).
Процесс прорастания длится 4—5 часов. Он начинается с набухания споры и усиления биохимической активности внутри нее. Затем через отверстие в оболочке появляется проросток, который вытягивается в палочку. Оболочка споры какое-то время сохраняется на конце палочки, а затем отделяется от нее. Спорообразование имеет важное практическое значение и всегда учитывается при стерилизации, например, перевязочного материала в больницах: стерилизация проводится в автоклавах паром под давлением — в режиме, при котором бактерии и их споры безусловно погибают.
Уже в момент открытия бактерий было замечено, что многие из них подвижны. Около 100 лет назад обнаружили, что у некоторых бактерий есть жгутики — очень тонкие нити, отходящие от тела бактериальной клетки. Однако изучение их в оптическом микроскопе оказалось весьма затруднительным, так как жгутики были настолько тонкими, что различались лишь после предварительной специальной обработки. Нечего было и думать об их изучении. Ценные сведения о строении жгутиков удалось получить только с помощью электронного микроскопа.
Оказалось, что различные бактерии имеют неодинаковое количество жгутиков, расположенных в разных частях клеточной поверхности. Встречаются клетки, у которых от одного из концов отходит от 1 до 100 жгутиков («косы»). У некоторых бактерий жгутики расположены по всей поверхности.
Жгутики имеют вид цилиндрической спирали и составляют часть живой клетки, хотя, если их удалить, это не ведет к гибели бактерии. Длина жгутиков достигает 75 микрон и зависит от возраста бактерии и условий ее существования. При более детальном исследовании жгутиков было обнаружено, что каждый жгутик состоит из 3—4 (или более) отдельных нитей, свернутых спиралеобразно друг с другом. Средняя толщина жгутика составляет 15 миллимикрон.
Жгутик начинается в теле клетки от блефаропласта — зернышка, расположенного в цитоплазме недалеко от клеточной стенки. Блефаропласт регулирует активность жгутика, который, проходя сквозь клеточную стенку, прикрепляется также и к ней. Если стенку удалить, то жгутик останется, но потеряет способность к сокращению.
Движение бактерии обусловлено спиралеобразными движениями жгутика. Скорость движения безжгутиковых бактерий около 5 микрон в секунду, а жгутиковых — более 50 микрон в секунду. Это огромная скорость: ведь бактерия длиной в 3 микрона за 1 секунду покрывает расстояние, в 16 раз превышающее длину ее тела! За это же время человек (в лучшем случае) способен преодолеть путь, равный не более пятикратной длине своего тела. Направление, движение и повороты зависят от угла, который образуется между телом бактерии и ее жгутиком, располагающимся чаще всего сзади бактерии. Иногда, впрочем, он находится впереди и действует наподобие пропеллера. Перемещаясь под влиянием жгутика вперед, бактериальная клетка одновременно совершает воронкообразные движения.
Подвижность бактерий имеет большое практическое значение и используется при диагностике инфекционных заболеваний. Так, различают очень сходные по форме и размерам палочки дизентерии и брюшного тифа: первые неподвижны, вторые весьма активны.
Схема строения бактериальной клетки
При исследовании бактериальных клеток в электронном микроскопе было обнаружено, что поверхность их тела покрыта короткими и чрезвычайно тонкими ворсинками. Эти ворсинки найдены у подвижных и у неподвижных бактерий. Следовательно, они не имеют отношения к подвижности бактерий. Позднее было показано, что ворсинки — это органы прикрепления бактериальной клетки к поверхности тканей человека, животных и растений.
Долгое время вопрос о существовании ядра у бактерий был предметом горячих споров. И это понятно. Именно в ядре происходят такие жизненно важные процессы, от которых зависят рост и развитие клетки, в ядре начинается процесс деления, и, наконец, в ядре каждой живой клетки — животной или растительной — заложен материал, в котором зашифрованы все наследственные признаки.
Высказывалось предположение, что бактерии вовсе «не имеют ядер, так как четко очерченного ядра, какое мы ясно видим в клетках животных или растений, в бактериальных клетках, при их изучении в оптическом микроскопе, найти не удавалось. Отсутствие внутри бактерии ясно выраженного ядра позволило высказать и прямо противоположную точку зрения — сама бактериальная клетка представляет собой голое ядро, лишенное цитоплазмы. В дальнейшем разработка и применение новых методов исследования (специальная окраска, изготовление ультратонких срезов и др.) позволили накопить факты, решившие эту проблему.
Ядра всех животных и растительных клеток содержат особое вещество — хроматин, который состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В состав ДНК входит, в частности, дезоксирибоза — сахар, который есть только в составе ДНК. Следовательно, если удастся найти в каких-нибудь структурах дезоксирибозу, значит, в них находится ДНК — характерное ядерное вещество. Так и было сделано. При окраске бактерий на дезоксирибозу (реакция Фельгена) было обнаружено характерное фиолетовое окрашивание нескольких участков цитоплазмы. Был сделан вывод о присутствии внутри бактериальной клетки ядерного вещества.
Позднее было показано, что эти прокрашивающиеся, по Фельгену, участки начинают делиться раньше остальных частей бактерий. Это тоже характерно для ядерных структур. С помощью гонких химических исследований удалось определить, что вся ДНК бактерий находится в ядре, так как ДНК изолированных ядер оказалась равной ДНК, выделенной из целой клетки. Наконец, были получены ультратонкие срезы бактериальных клеток, и на них достаточно ясно было видно ядро.
Выявить бактериальное ядро было трудно. Дело в том, что ядро бактерии действительно отличается от ядер животных и растительных клеток. Оно не имеет оболочки и поэтому легко может менять свою форму даже на различных этапах жизни одной и той же клетки.
Отличие ядерного аппарата бактерии проявилось и в другом. В ядре каждой животной или растительной клетки из хроматина образованы особые тяжи — хромосомы. В каждой клетке любого организма содержится строго определенное количество хромосом. Так, у человека их 46. Следовательно, каждая клетка каждого человека содержит по 46 хромосом. Разные виды животных различаются по числу хромосом.
У одного вида круглых червей в каждой клетке насчитывается лишь по две хромосомы, в то время как у радиолярии — микроскопического морского животного — их около 1600. Хромосомы всегда парны, то есть в клетке всегда имеется по две хромосомы каждого типа. Таким образом, у человека их 23 пары. Каждая пара отличается от других пар по длине, форме и наличию утолщений или перетяжек.
В отличие от этого в ядре бактерии содержится только одна хромосома. Согласно новейшим представлениям, ДНК бактериальной хромосомы имеет вид замкнутой зигзагообразной нити. Между отдельными отрезками ДНК располагаются белковые молекулы. Такое строение придает всей структуре компактность и вместе с тем подвижность.
Теперь мы с вами узнали, что бактериальная клетка представляет собой сложный живой организм. Оказывается, его микроскопически малые размеры сочетаются с огромной скоростью размножения. Бактериальная клетка делится каждые 30 минут. За 24 часа у бактерий сменяется столько же поколений, сколько у человека за 5 тысяч лет!
Размножаются бактерии делением. Достигнув определенной величины, клетка начинает изменяться. Прежде всего, внутри нее увеличивается, а затем и разделяется ядерное вещество. Затем посередине бактерии в цитоплазматической мембране образуется утолщение, которое увеличивается и постепенно превращается в перегородку, делящую бактерию на две половины. Образование перегородки сопровождается появлением перетяжки в клеточной стенке как раз напротив места образования перегородки. Таким образом, одна клетка разделилась на две дочерних бактериальных клетки.
В последние годы было обнаружено, что бактерии способны передавать генетический материал от одной клетки к другой, что напоминает процесс, сходный с половым.
В 1947 году американские ученые Ледерберг и Татум поставили простой опыт. Они взяли два сорта бактерий (два штамма). У одного из них не хватало признаков А, Б и В, а признаки Г и Д были. А у другого наоборот — были признаки А, Б и В, но не хватало признаков Г и Д. Из-за этих дефектов каждый из штаммов в отдельности не мог расти на питательной среде. Но стоило их смешать, как начинался рост. Тогда ученые убили один из штаммов и после этого смешали их. Роста не было. Значит, решили они, для роста клеток оба штамма должны быть живыми. Поставили еще опыт. Оба штамма поместили в один сосуд, но разделили тонким фильтром. Он пропускал жидкую среду, а бактерии задерживал. Роста опять не было. Следовательно, для роста необходим контакт.
Ученые предположили, что оба дефектных штамма при смешивании обмениваются генами, которые отвечают за все имеющиеся признаки данного организма. Иначе говоря, при объединении А—+Б—+В—+Г++Д++А++Б++В++Г—+Д— у каких-нибудь бактерий окажется полный набор всех пяти генов, ответственных за признаки А, Б, В, Г и Д, и такие бактерии смогут расти на питательной среде.
Позднее англичанин Хейс показал, что действительно обмен наследственным материалом происходит не случайно, а в строго определенном направлении. Получалось что-то похожее на половой процесс, так как передающие бактерии напоминали мужской тип, а воспринимающие — женский.
Несколько лет назад эти предположения были блестяще подтверждены французскими микробиологами Жакобом и Вольманом. Они увидели в электронном микроскопе, что «мужские» и «женские» клетки соединяются между собой цитоплазматическими мостиками. Если такие соединенные бактерии осторожным встряхиванием разъединять через 1, 10, 15, 20, 30 и т. д. минут после объединения, то можно обнаружить, что через различные интервалы времени от «мужских» к «женским» передаются различные признаки: последовательно друг за другом. Это было убедительным доказательством передачи наследственного материала (участков хромосом) от одной бактерии к другой.
После передачи материала хромосом от мужской клетки в женскую «оплодотворенная» бактерия делится, как описано выше, и передает по наследству новые признаки. Открытие «полового» процесса у бактерий открывает перед учеными широкие горизонты новых теоретических исследований, которые позволят познать способы выведения новых полезных видов бактерий для промышленности и сельского хозяйства, позволят изменять свойства болезнетворных бактерий и др.
Чтобы представить себе, как велика скорость размножения бактерий, достаточно сказать, что через 5 дней потомство одной бактериальной клетки могло бы заполнить пространство, занимаемое всеми морями и океанами!
Почему же этого не происходит? Дело в том, что высокая скорость размножения бактерий сопровождается их быстрой гибелью. В этом можно легко убедиться, если проследить за развитием бактерий в мясном бульоне.
Регулярно определяя количество бактерий, мы увидим, что в первые часы после внесения бактерий в среду их количество не будет увеличиваться. Это объясняется тем, что вначале бактериальные клетки приспосабливаются к новым условиям существования и число вновь образующихся клеток будет равно числу отмирающих. Затем наступит фаза бурного размножения, когда за одно и то же время будет делиться гораздо больше клеток, чем отмирать. Поэтому общее количество их будет увеличиваться.
Но постепенное расходование питательных веществ и накопление вредных продуктов обмена начнут замедлять скорость клеточного деления. Скорость деления сравняется со скоростью отмирания (опять прекратится увеличение общего количества бактерий), а затем снизится еще более. Отмирание клеток начнет преобладать — абсолютное количество бактерий будет уменьшаться.
Так происходит не только в пробирке на столах ученых, но и в естественных условиях.
В организме больного бактерии, приспособившись к новым условиям, начинают бурно размножаться. Но вскоре, под воздействием повышенной температуры тела больного, клеток крови, накапливающихся антител «и других защитных факторов начинает отмирать все больше бактерий.
Если они попадают во внешнюю среду, то здесь их гибель ускоряют солнечные лучи, высыхание, отсутствие питательных веществ и др. Диалектическое единство двух противоположных процессов — рождения новых бактериальных клеток и отмирания старых — ограничивает распространение бактерий, имеющих столь бурный темп роста.
Изучение законов роста и размножения бактерий имеет огромное практическое значение для борьбы с инфекционными болезнями.
Из бактериальных клеток готовят различные вакцины — препараты, содержащие убитые или ослабленные болезнетворные бактерии. Такие бактерии при (введении в организм уже не могут вызвать болезнь, но они способны вызывать образование антител. Бактерии, попавшие в организм, при последующем заражении встретятся со специфическими антителами и будут уничтожены. Человек не заболевает, у него образовался иммунитет — невосприимчивость к инфекционному заболеванию.
Современные представления об организации бактерии, построенные на основе разносторонних исследований методами цитохимии, энзимологии, химического фракционирования и электроноскопического анализа ультратонких срезов, позволяют утверждать, что бактерия обладает структурами, характерными для клеточной организации. Следовательно, бактериальная клетка принципиально не отличается от клеток животного и растительного происхождения. Этот важный вывод позволяет использовать бактерии в качестве модели для изучения самых общих вопросов биологии и медицины.