Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Положение микроорганизмов в природе
Общие свойства микроорганизмов

Признак, получивший отражение в самом названии «микроорганизмы» - это малая величина особи. Она не только послужила причиной отделения этих организмов от животных и растений: с нею существенно связаны также особенности морфологии микробов, активность и пластичность их метаболизма и распространение их в природе, а также удобство обращения с ними в лаборатории.

Размеры особи и соотношение между поверхностью и объемом. Диаметр большинства бактерий не превышает тысячной доли миллиметра. Эта величина - 1 микрометр (микрон), или 10^-3 мм, - и стала «аршином» микробиолога. Данные о тонкой структуре клетки приводятся в нанометрах: 1 нм = 10^-3 мкм = 10^-6 мм. Размеры мелких цианобактерий, дрожжей и простейших находятся в пределах 10 мкм. У этих столь малых организмов соотношение между поверхностью и объемом очень велико. Если куб с длиной граней 1 см (объемом 1 см³) разбить на кубики с длиной граней 1 мкм, мы получим 10¹² кубиков объемом по 1 мкм³ каждый. Суммарная поверхность этих кубиков в 10000 раз больше, чем поверхность исходного куба. Объем 1 мкм³ характерен для средней бактериальной клетки. Большое отношение поверхности к объему приводит к интенсивнейшему взаимодействию с внешней средой; с этим связан очень быстрый обмен веществами между средой и клеткой многих микроорганизмов. Правило Рубнера (1893) гласит, что энергетический обмен животного в покое пропорционален не массе, а поверхности его тела. Если это правило, в соответствии с его смыслом, распространить на отдельные ткани и малые клетки, то следует ожидать, что уровни метаболической активности будут различаться на несколько порядков. Как видно из табл. 1.2, интенсивность метаболизма, измеренная по потреблению O₂, действительно зависит от размеров тканей и клеток. Соответственно высоки и скорости прироста микроорганизмов. Тому, кто размышляет о проблемах обеспечения пищей растущего населения Земли, будет интересно узнать, что в организме одного быка весом 500 кг за 24 ч образуется примерно 0,5 кг белка; за это же время 500 кг дрожжей могут синтезировать более 50000 кг белка.

Таблица 1.2. Интенсивность дыхания микроорганизмов и тканей (Q_O2, мкм O₂ на 1 мг сухого вещества в 1 ч) и время генерации бактерий (время удвоения) при температурах, оптимальных для их роста

Пластичность метаболизма. У высших растений и животных изменения обмена веществ относительно жестко ограничены имеющимся набором ферментов; в процессе индивидуального развития состав ферментов у них, конечно, меняется, однако при перемене условий внешней среды такие изменения весьма незначительны. Микроорганизмы отличаются несравнимо большей гибкостью. Для бактерий высокая способность к адаптации (приспособлению) совершенно необходима. Это определяется их малыми размерами. В клетке микрококка найдется место только для нескольких сотен тысяч белковых молекул. Поэтому ненужные в данное время ферменты не могут содержаться про запас. Некоторые ферменты, служащие для переработки питательных веществ, синтезируются только тогда, когда соответствующее вещество появляется вблизи клетки. Такие индуцибельные ферменты могут составлять до 10% общего белка, содержащегося в клетке. Таким образом, клеточные регуляторные механизмы у микробов играют существенно большую роль и проявляются более отчетливо, чем у других живых существ.

Распространение микроорганизмов. Малые размеры имеют значение и для экологии. Многие растения и животные, ныне широко распространившиеся благодаря человеку, встречались раньше лишь на отдельных континентах. В отличие от этого бактерии (включая цианобактерий) вездесущи: их можно найти в арктических областях, в воде и в высоких слоях атмосферы. Видовой состав их во всех местообитаниях в широких пределах сходен с их видовым составом в почве. Благодаря своему малому весу микроорганизмы легко распространяются с воздушными потоками. В естественных условиях ни одно местообитание, ни один субстрат не нуждается в специальном заражении каким-либо микробом. Этим обстоятельством пользуются для получения накопительных культур. Как правило, достаточно одного грамма садовой почвы, чтобы найти вид бактерий, способный расти за счет любого природного вещества. Микроорганизмы существуют повсюду; среда определяет лишь то, какие формы будут в данном месте активно размножаться. Создавая в пробирке соответствующие селективные условия, можно из небольшого количества земли или ила, а в особых случаях и из других материалов получать накопительные культуры, а из них и чистые культуры большинства известных микроорганизмов.

Количественные работы и успехи генетических исследований. Методы, с помощью которых можно выращивать в лаборатории микроорганизмы, разработали О. Брефельд, Р. Кох и его школа в прошлом веке. Введение в практику прозрачных питательных сред, уплотненных желатиной или агаром, позволило изолировать отдельные клетки, следить за их ростом в колонии и получать чистые культуры. Разработка стандартных методов стерилизации и приготовления питательных сред привела к быстрому развитию медицинской микробиологии. Хотя еще Кох описал количественные методы, их преимущества при работе с микроорганизмами были поняты только в последние 50 лет. Малые размеры микроорганизмов позволяют получать в одной пробирке или чашке Петри и исследовать популяции, состоящие из 10⁸-10¹⁰ отдельных клеток, и благодаря этому выявлять такие редкие события, как мутация или передача приобретенного признака, не нуждаясь в сложных вспомогательных средствах и довольствуясь малым пространством. Огромные успехи биохимических и генетических исследований не в последнюю очередь достигнуты благодаря легкости обращения с бактериями.