Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Прокариоты. Систематический обзор
Введение

На основании упоминавшихся ранее признаков, таких как отсутствие ядерной мембраны, слабая компартментализация и наличие клеточной стенки из пептидогликана, все организмы, ранее причислявшиеся к дробянкам (Schyzophyta), а именно группы Schyzomyceae (грибы-дробянки, или бактерии в самом широком смысле) и Schyzophyceae (сине-зеленые водоросли, или цианобактерии), могут быть объединены в одну общую группу прокариот (Procaryotae). Описание и наименование регламентируются Международным кодексом номенклатуры бактерий. Он разработан Международным комитетом систематической бактериологии, который и осуществляет контроль за его соблюдением. Бактериологический кодекс в отличие от Ботанического содержит положение, согласно которому при описании нового штамма один образец культуры в жизнеспособном состоянии должен быть сдан в официально признанную коллекцию культур в качестве либо штамма для сравнения, либо типового штамма.

Описание бактерий. При описании бактерий необходимо прежде всего перечислить их морфологические признаки, т.е. указать, являются ли они кокками, палочками или спириллами, имеют ли капсулу и объединены ли отдельные клетки в агрегаты (нити, тетрады, пакеты); имеются ли у них жгутики и как они расположены; образует ли бактерия эндоспоры и красятся ли ее клетки по Граму. Морфологическое описание дополняется перечнем важнейших физиолого-биохимических признаков. Указываются: 1) отношение к кислороду, т.е. растут ли клетки в аэробных или в анаэробных условиях, либо в тех и других; 2) каким образом они получают необходимую энергию - в процессе дыхания, брожения или фотосинтеза; 3) зависимость роста от температуры и pH, с указанием оптимума и пределов устойчивости; 4) усваиваемые клетками питательные вещества; 5) места обитания; 6) наличие симбиотических или паразитических взаимоотношений; 7) клеточные включения, пигментация и состав капсулы; 8) компоненты клеточной стенки (пептидогликановый остов, липополисахариды, тейхоевая^[кислота); 9) серологическая дифференциация (поверхностные антигены, гомологичные белки); 10) состав оснований ДНК (мол. % GC); 11) гибридизация ДНК/ДНК, трансформируемость при межвидовом переносе ДНК; 12) последовательность нуклеотидов в 16S или 5S рРНК; 13) чувствительность к антибиотикам.

Номенклатура. Так же как для растений и животных, для бактерий применяется бинарная номенклатура: родовое и видовое название. Первоначальное правило, согласно которому в родовом названии должны быть отражены морфологические признаки, а в видовом - физиологические, позднее в связи с крупными новыми открытиями перестало соблюдаться. Бейеринк и Виноградский, ошеломленные разнообразием обмена веществ у бактерий, стали давать родовые названия, отражавшие их экологические, физиологические и биохимические особенности. Например, при выборе наименований для отдельных родов были учтены физиологические признаки (Acetobacter, Nitrosomonas, Azotobacter), пигментация (Chromobacterium, Rhodomicrobium), патогенность (Pneumococcus, Phytomonas) или используемые субстраты (Haemophilus, Amylobacter). По правилам номенклатуры следует придерживаться названий, предложенных в достоверных первоописаниях. Присвоение названия и его использование регламентируются твердыми правилами.

Классификация. Классификация микроорганизмов, причисляемых к прокариотам, учитывает в первую очередь практические моменты и служит для распознавания описанных форм. Под классификацией понимают распределение единиц по группам более высокого порядка. Она осуществляется по иерархической схеме. Основной единицей является чистая культура выделенной бактерии - «штамм». Штаммы объединяются в виды (species), виды в роды (genus, множественное число genera), а роды в семейства (латинские названия семейств оканчиваются на -асеае). Основой для классификации служит адекватное описание штаммов, в соответствии с которым и проводят сравнение и разграничение рассматриваемых единиц. Установлением соподчинения отдельных групп организмов занимается таксономия.

Следует различать два вида классификаций: филогенетические, или «естественные», с одной стороны, и искусственные - с другой. Построение естественной классификации - конечная цель таксономии бактерий, которая состоит в том, чтобы объединить родственные формы, связанные общностью происхождения, и на этой основе создать филогенетическое древо бактерий. Несомненно, когда-нибудь это удастся сделать, исходя из химических признаков - таких, как последовательность аминокислот в функционально сходных ферментных белках или последовательность нуклеотидов в консервативных нуклеиновых кислотах, например в рибосомных РНК.

Искусственная классификация ставит перед собой более скромные цели, чем филогенетическая. Она довольствуется объединением организмов в отдельные группы на основе их сходства и используется для идентификации и распознавания (определения) организмов. Искусственная система прежде всего рассчитана на использование ее в качестве ключа для определения. Наиболее полный труд, в котором описаны бактерии, - это «Руководство по определению бактерий Берги» (Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology), восьмое издание которого вышло в свет в 1974 г. Оно содержит названия бактерий, описания их морфологических и физиологических особенностей, а также ссылки на литературные источники и ключи для определения вновь выделенных форм. В настоящее время подготавливается новое издание¹.

Нумерическая таксономия. Следующим шагом к созданию более объективной системы можно считать «нумерическую таксономию». Эта система основана на признании принципов Адансона, согласно которым самые различные признаки, поддающиеся учету, имеют одинаковое значение для характеристики организма. Для количественной оценки учитывают возможно большее число признаков, которые подбирают так, чтобы они были альтернативными, т. е. чтобы их варианты можно было обозначать знаками «плюс» или «минус». Оценку различных комбинаций признаков производят с помощью ЭВМ. При этом каждый из признаков одного штамма сравнивают с каждым признаком всех других штаммов. Считается, что сходство между двумя исследуемыми штаммами тем больше, чем больше отношение числа совпадающих признаков к числу всех учитываемых.

Для попарного сравнения пользуются коэффициентом сходства (величиной S). Он определяется следующим образом:

где а и d- суммы признаков, по которым штаммы А и В совпадают (a - оба положительные; d - оба отрицательные); b - сумма признаков, по которым штамм А положителен, а штамм В отрицателен; с - сумма признаков, по которым штамм А отрицателен, а штамм В положителен. В результате расчетов получаются величины от 0 до 1. S = 1 означает 100%-ное сходство, т. е. идентичность, a S < 0,02 - абсолютное несходство. Полученные величины вносятся в матрицу сходства и могут также быть представлены в виде дендрограммы (подобной филогенетическому древу). Однако нумерическая таксономия не имеет прямого отношения к филогении.

¹ В 1984 г. вышел первый, а в 1986 г. - второй том нового издания под названием «Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology.» -Прим. ред.

Филогения бактерий. Рибосомы - это места синтеза белка, и они имеются поэтому во всех клетках. По своим функциям они очень консервативны; в особенности это относится к рибосомным РНК (рРНК), так как на последовательность их оснований не может влиять ни вырожденность генетического кода, ни супрессорные мутации. Таким образом, рРНК отвечает требованиям, которые можно предъявить всеобщему филогенотетическому маркеру. При определении последовательности нуклеотидов в 16S-pPHK у большого числа бактерий обнаружились как неожиданные различия, так и поразительные черты сходства. В результате каталогизации нуклеотидных последовательностей были установлены коэффициенты сходства (величины Sab), что привело к созданию дендрограммы, которую следует признать филогенетическим древом. Выявились неизвестные ранее взаимосвязи. Стали явными родственные отношения между отдельными группами фототрофных и нефототрофных грам-отрицательных бактерий, например родство Rhodopseudomonas sphaeroides¹ и R. capsulata с Rhizobium и Paracoccus denitrificans; Chromatium - c Pseudomonas, Azotobacter и Escherichia coli; Rhodopseudomonas gelatinosa² - c Alcaligenes; и наконец, родство Rho- domicrobium vannielii, Rhodopseudomonas viridis и R. acidophila с митохондриями. Это означает, что аэробные грам-отрицательные бактерии ведут свое происхождение от нескольких групп фототрофных бактерий. Таким образом, предположение о том, что аэробные бактерии произошли только от одной линии фототрофных бактерий, в свете данных анализа рРНК следует считать ошибочным.

Этот анализ, кроме того, привел к неожиданному выводу, что одна из групп бактерий очень сильно отличается от всех остальных; по-видимому, уже очень рано произошло разделение прокариот на две ветви, одну из которых составляет группа архебактерий, а другую - все остальные группы, которые объединяют под названием эубактерий:

Таким образом, можно думать, что от праклеток (прогенот) произошли, с одной стороны, архебактерии, а с другой -эубактерии. Имеются также данные, позволяющие предполагать тесные связи между архебактерия- ми и эукариотами.

Обзор многообразия прокариот. Предлагаемый обзор имеет целью дать читателю, впервые изучающему эти вопросы, представление обо всем многообразии прокариот. Мы будем строго придерживаться 8-го издания «Руководства по определению бактерий Берги». В этом определителе бактерии разделены на 19 групп; однако там не рассматриваются цианобактерии, и ко времени выхода в свет этого издания еще не были известны факты, приведшие к отделению архебактерий. На основании многих новых открытий можно предсказать, что уже вскоре последуют новые перестановки и дополнения. Что безусловно останется, так это признаки, видимые в микроскоп. Относительно легко также устанавливаются зависимость роста бактерий от присутствия O₂ и окраска по Граму.

Рассмотрению прокариот мы предпошлем таблицу, в которой эубактерии разделены на группы по внешнему виду [на кокки, палочки и спириллы (искривленные палочки)], по способности расти в аэробных или анаэробных условиях и по окраске по Граму. Для сохранения связи с определителем Берги здесь дается та же нумерация групп. Те бактерии, которые не удается без большой натяжки отнести к одной из трех основных форм, будут приведены в таблице под рубрикой «Большие особые группы».

¹ = Phodobacter sphaeroides. - Прим. ред.

² = Rhodocyclus gelatinosus. - Прим. ред.

После этого в разделах 3.2-3.20 будут рассмотрены различные группы бактерий в соответствии с порядком их расположения в таблице. При этом отдельные группы будут описаны очень кратко, но мы дадим ссылки на ту часть этой книги, где те же группы бактерий будут охарактеризованы с физиологической и биохимической стороны. Несколько подробнее мы здесь опишем только те группы, о которых ничего или почти ничего не говорится в физиологической части книги.

Обзор системы прокариот уже указывает пути к идентификации бактерий. Каждый биолог, вероятно, по опыту знает, что с помощью ключей для определения можно идентифицировать только то, что ему уже было известно. Идентификация бактерий всегда предполагает наличие обширных знаний; поэтому если при идентификации палочковидной бактерии, выделенной из йогурта, почему-то определяется Methanobacterium, то есть все основания для сомнений!