Александр Шувалов – Микроб гениальности глазами микробиолога и психиатра. Междисциплинарное путешествие (страница 2)
– Ой, у меня же период генерации начинается! Хорошо вам, микобактериям, делитесь только через 16—20 часов, а мне приходится каждые 20—30 минут начинать новый цикл.
Все вдруг стихло и вновь слышалось только гудение ламп и щелканье реле, да из оконного стекла глядело на меня обескуражено мое собственное отражение.
Вот такой занятный разговор мог состояться в каком-нибудь фантастическом романе, если бы автор прихотью своей воли одарил сознанием и голосом бесчисленных существ невидимого мира. «На то он и автор, чтобы небылицы всякие придумывать» – скажет читатель. И все же, давайте попробуем разобраться, что в этом «подслушанном разговоре» выдумка, а что вполне может претендовать на истину. Выясним, наконец, что представляют собой микробы, какую роль они играют в нашей жизни и почему инфекции всегда идут вместе с нами по ветвистой дороге эволюции.
1.1. Что такое инфекции и откуда они взялись?
Да, да, именно Величество. Потому что, бактерии правят бал жизни на Земле и во многом определяют наше существование. Это самые многочисленные жители нашей планеты, после вирусов конечно. Но почему мы их не замечаем? Потому что они очень-очень крошечные.
Сейчас вы держите перед собой книжку и вглядываетесь в текст, но посмотрите внимательнее, может быть, вы еще что-то сумеете разглядеть? Нет? Вот и славно, а то бы вы с испугу бросили нашу книжку и ни за что не стали бы продолжать чтение. А знаете почему? Потому что вы бы увидели огромное количество самых разнообразных МИКРОБОВ, они повсюду! К счастью, устройство нашего глаза не позволяет видеть нам такие мелкие объекты, если, конечно, мы предварительно не вооружимся микроскопом. Ведь человеческий глаз способен различить объекты размером 0.1—0.3 мм. А средний размер бактерий в десять тысяч раз меньше – 0.0005—0.005 мм, не говоря уже о вирусах, которые невозможно увидеть даже с помощью обычного микроскопа. Очень уж они крошечные3 – 0.00002—0.00035 мм, для их изучения особый микроскоп используют – электронный. Но в нашем повествовании речь пойдет преимущественно о бактериях.
Так кто же они, эти самые бактерии, как выглядят и как устроены?
Сегодня вряд ли найдется человек, не знающий о том, что вся информация о любом живом существе хранится в его ДНК (или РНК, если говорить о вирусах). Принцип строения ДНК универсален для всех существ и представляет собой длинную цепочку, состоящую из четырех типов нуклеотидов. Это святая святых любого организма и должна охраняться, как зеница ока. Все существа, обитающие на Земле, делают это по-разному:
Рис. 1.2. Микробная семейка
– Эукариоты (ядерные) хранят свою ДНК, компактно упакованную в хромосомы и спрятанную в ядре – специальном отсеке, отделенным от содержимого клетки оболочкой, называемой ядерной мембраной. Кстати, мы с вами относимся к этой группе и у нас 46 хромосом.
– Прокариоты хранят свои «инструкции», разместив их в одной единственной хромосоме, чаще всего замкнутой в кольцо. Эта хромосома располагается внутри клетки и ничем не отделена от ее содержимого. Так организован генетический аппарат всех бактерий.
– Акариоты – особые организмы, не имеющие клеточного строения, хранящие свою генетическую информацию в небольших ниточках ДНК или РНК, защищенных белковой оболочкой. Конечно это вирусы – удивительные существа, занимающие промежуточное положение между живой и неживой природой. По сути, они представляют собой генетический материал, защищенный одной или двумя оболочками от внешней среды.
Итак, бактерии относятся к группе «Прокариоты» (доядерные). Теперь давайте посмотрим, как они устроены. Часто бактерии называют просто организованными. Но так ли это на самом деле?
Тело бактериальной клетки представляет собой мешочек, наполненный гелеобразным содержимым – цитоплазмой, в ней располагается основной хранитель генетической информации – нуклеоид или кольцевая хромосома, содержащая в среднем 4100 генов. Кроме того, там могут находиться от 1 до 200 плазмид, несущих дополнительную генетическую информацию, она не является жизненно необходимой, но дает бактериям преимущества в определенных условиях, такой своеобразный «спасательный круг» в условиях трудной жизненной ситуации. Очень важными структурами являются рибосомы, вырабатывающие белок. Они свободно располагаются в цитоплазме, их число непостоянно и меняется в зависимости от нужд клетки. Также некоторые бактерии могут иметь включения, представляющие собой небольшие гранулы, в которых находятся сера, железо, полифосфаты (полимеры фосфорной кислоты – резерв энергии), полимеры продуктов неполного окисления глюкозы (бета-оксимаслянная кислота) и другие вещества.
Тоненькая эластичная оболочка, называемая цитоплазматической мембраной, отделяет внутреннее содержимое бактерии от внешней среды. При этом она обладает избирательной проницаемостью. Через нее внутрь бактерий проникают необходимые вещества, а наружу выводятся вредные. Её принципиальное строение универсально для всех живых клеток – двойной слой фосфолипидов, в который встроены различные белковые молекулы. Мембрана не может обеспечить надежную защиту от механических повреждений, поэтому бактерии обзавелись дополнительной оболочкой, которую называют клеточной стенкой. Она не только защищает бактерии, но и определяет их форму (палочковидную, извитую, нитевидную, шарообразную, звездчатую и др.). Важным компонентом клеточной стенки, является пептидогликан. Он есть только у бактерий, причем у одних он представлен многочисленными слоями и составляет 90% клеточной стенки. В клеточной стенке других бактерий встречается всего один-два слоя пептидогликана, которые сверху покрываются внешней мембраной. Тип клеточной стенки – очень важный признак, положенный в основу распознавания бактерий, а также играющий большую роль в диагностике инфекционных заболеваний. Поэтому все бактерии принято делить по типу строения клеточной стенки на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Названия эти даны по фамилии ученого Христиана Грама, предложившего способ окраски, позволяющий различить бактерии.
К первой группе относят бактерии, клеточная стенка которых представлена многочисленными слоями пептидогликана, а ко второй – бактерии у которых один-два слоя пептидогликана покрыты дополнительной мембраной, ее называют наружной или внешней.
Некоторые бактерии приобрели еще одну защитную оболочку – капсулу, она представляет собой слизистый слой, покрывающий клеточную стенку. Такие бактерии, как правило, оказываются опасными для здоровья человека. Капсула помогает бактериям прикрепляться к поверхности субстрата и противостоять защитным силам организма.
Существуют так называемые подвижные бактерии, они способны передвигаться в жидкой среде или по поверхности.
Рис. 1.3. Жгутиковые бегуны – рекордсмены по скорости передвижения
Для этой цели у них имеются особые структуры – жгутики. Их количество и расположение тоже является важным признаком, по которому можно определить вид бактерий. Например, возбудитель холеры имеет только один жгутик, расположенный на одном из полюсов бактериальной клетки, а кишечная палочка обладает большим количеством жгутиков, которые покрывают ее поверхность. Благодаря жгутикам бактерии могут изменять направление движения и выбирать наиболее подходящие условия обитания.
Жгутики представляют собой тоненькие ниточки, в несколько раз превышающие длину самой бактерии и совершают 40—60 оборотов в секунду. Благодаря жгутикам бактерии способны за 10 сек преодолевать 1 мм! Это расстояние превышающее длину самого микроба в 200 раз. Скорость, с которой могут двигаться бактерии, превышает мировой рекорд в беге на 100 метров, в три раза! Мировой рекорд в беге на 100 метров, установленный в 2009 году, составляет 9.58 сек.
А еще есть бактерии, у которых жгутики располагаются не на поверхности, а между наружной мембраной и клеточной стенкой. Они собраны в пучки, прикреплены к полюсам бактерии и обвивают ее вдоль тела. Из-за чего бактерии принимают извитую форму и тоже способны к разным видам движения: штопорообразному, волнообразному, толчкообразному, маятникообразному.
Для осуществления процессов жизнедеятельности (питания, роста, размножения, движения, восстановления поврежденных структур и другие процессы) необходима энергия. Живые существа обладают уникальной способностью – самостоятельно вырабатывать энергию.
Любой организм, любая клетка для осуществления процессов жизнедеятельности нуждается в энергии. В эукариотических клетках она вырабатывается особыми органеллами – митохондриями. Несмотря на то, что бактерии лишены этих органелл, они прекрасно справляются с задачей энергообеспечения. Кстати, ученые считают, что митохондрии – сами бывшие бактерии, которые научились получать энергию при участии кислорода и около 600 млн лет назад перебрались в эукариотические клетки. Поэтому принцип получения энергии у бактерий и митохондрий одинаковый.
Универсальным носителем энергии в живых организмах является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и весь процесс получения энергии сводится к образованию этого вещества. В клетке расщепление питательных веществ, сопровождается выделением энергии, которая запасается в виде АТФ.