Основы жизнедеятельности, классификация и методы искусственного культивирования

Бактерии представляют собой одну из самых древних, распространенных и удивительных групп живых организмов на нашей планете. Они заселяют практически все существующие экологические ниши, начиная от глубоководных гидротермальных источников с экстремальными температурами и заканчивая вечной мерзлотой арктических льдов. Чтобы выживать в столь разнообразных и зачастую суровых условиях, этим микроскопическим созданиям необходим надежный и эффективный механизм получения энергии и строительных материалов.

Для того чтобы успешно расти, размножаться и адаптироваться к постоянным изменениям окружающей среды, каждой микробной клетке требуется непрерывный приток питательных веществ. Эти вещества участвуют в тысячах биохимических реакций, обеспечивая синтез нуклеиновых кислот, белков, клеточной стенки и других жизненно важных структур. Без правильного и сбалансированного рациона бактериальная клетка не смогла бы поддерживать свой метаболизм и быстро погибла бы.

Именно поэтому детальное изучение процессов усвоения веществ микроорганизмами имеет колоссальное значение не только для фундаментальной биологии, но и для прикладных дисциплин. Понимание того, как именно питаются микробы, позволяет ученым разрабатывать новые антибиотики, создавать эффективные вакцины, а также использовать микроорганизмы в биотехнологическом производстве, сельском хозяйстве и экологии для очистки окружающей среды.

Он связан с поглощением необходимых химических элементов и соединений из внешней среды для получения энергии и построения структур собственного организма.

Поскольку микроорганизмы лишены сложных пищеварительных систем, присущих многоклеточным животным, процесс поступления нутриентов в их клетку происходит через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану. Этот транспорт может быть пассивным (диффузия) или активным, требующим значительных затрат внутриклеточной энергии. Выбор конкретного механизма зависит от концентрации веществ и их химической природы.

Основные типы питания бактерий

В научном мире классификация микроорганизмов по их пищевым потребностям базируется на том, из каких источников они получают углерод - главный структурный элемент всей органической жизни. Учитывая невероятное эволюционное разнообразие, типы питания бактерий принято делить на две фундаментальные категории: автотрофные и гетеротрофные организмы. Самыми легкоусвояемыми формами углеродистых соединений для большинства микробов являются углеводы, многоатомные спирты, липиды и различные аминокислоты.

Автотрофные микроорганизмы

Автотрофы - это независимые и самодостаточные организмы, способные синтезировать сложные органические вещества из простых неорганических. Их главным источником углерода служит обычный углекислый газ (CO2). Чтобы превратить неорганический углерод в органику, им требуется энергия, которую они добывают разными путями. По источнику этой энергии автотрофы делятся на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов.

Фотоавтотрофы 

Эти микроорганизмы используют для своих нужд энергию солнечного света. К ним относятся, например, цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии.

• В отличие от высших растений, многие фотосинтезирующие бактерии используют только одну фотосистему.
• Процесс их фотосинтеза часто протекает без фотолиза воды, а значит, в ходе реакций не выделяется свободный кислород (аноксигенный фотосинтез).
• В качестве донора электронов они могут использовать сероводород, молекулярный водород или другие соединения.

Хемоавтотрофы 

Хемоавтотрофы, в отличие от своих "светолюбивых" собратьев, извлекают энергию из химических реакций. Они окисляют неорганические соединения, а выделившуюся при разрыве химических связей энергию пускают на усвоение углекислого газа.
В зависимости от конкретного источника электронов в этих реакциях, их подразделяют на литотрофов (окисляют неорганику) и органотрофов. Среди литотрофов огромную роль в биосфере играют:

• Нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак до нитритов и нитратов).
• Железобактерии (переводят двухвалентное железо Fe2+ в трехвалентное).
• Серобактерии (окисляют сероводород H2S до свободной серы или сульфатов).
• Водородные бактерии (перерабатывают молекулярный водород H2).

Гетеротрофные микроорганизмы

Гетеротрофы не способны самостоятельно строить органику из углекислого газа. Для полноценной жизни им требуются готовые органические соединения, созданные другими живыми существами. Именно к этой группе относится абсолютное большинство микроорганизмов, населяющих нашу планету, включая те виды, которые обитают в теле человека.

Внутри гетеротрофной группы выделяют две основные подкатегории:

1. Сапрофиты. Это микроорганизмы-утилизаторы. В качестве источника углерода они используют мертвые, разлагающиеся органические остатки растений и животных. Сапрофиты не зависят от живых организмов-хозяев. Они играют критически важную роль в глобальном круговороте веществ, возвращая в почву минеральные элементы и очищая планету от биологического мусора.
2. Паразиты. Эти бактерии получают все необходимые им питательные вещества непосредственно из тканей или физиологических жидкостей живого макроорганизма-хозяина. Зачастую такое сожительство наносит хозяину серьезный вред, вызывая тяжелые инфекционные заболевания. Существуют также облигатные внутриклеточные паразиты (например, хламидии и риккетсии), которые вообще не могут существовать и размножаться вне хозяйской клетки.

Искусственное культивирование бактерий

Доскональное знание того, как питаются микробы, имеет первоочередное практическое значение для медицины, микробиологии и фармакологии. Чтобы изучить возбудителя болезни, определить его чувствительность к антибиотикам или получить от него полезный продукт (например, инсулин или ферменты), бактерию необходимо вырастить в лаборатории. Этот процесс называется культивированием.

Для успешного размножения микроорганизмов в искусственных условиях ученые создают специальные питательные среды. Эти среды должны максимально точно имитировать естественные условия обитания конкретного вида бактерий. К искусственным питательным средам предъявляется ряд строгих требований:

• Наличие воды. Вода является универсальным растворителем и средой для всех внутриклеточных биохимических реакций. Без нее рост и размножение невозможны.
• Органический источник углерода и энергии. Это требование обязательно для успешного выращивания гетеротрофов. Обычно в среды добавляют глюкозу, пептон или дрожжевой экстракт.
• Источники минеральных элементов. В среде должны присутствовать соединения азота, фосфора, серы, а также микроэлементы (магний, калий, кальций, железо).
• Оптимальный уровень рН. Большинство бактерий предпочитают нейтральную или слабощелочную реакцию среды (рН 7,0-7,4), хотя существуют и кислотолюбивые виды.
• Изотоничность. Поддержание правильной концентрации осмотически активных веществ (чаще всего за счет добавления хлорида натрия) предотвращает гибель клеток от осмотического шока.
• Стерильность. Перед посевом питательная среда не должна содержать никаких посторонних микроорганизмов, их спор или фрагментов, чтобы избежать загрязнения (контаминации) чистой культуры.

Типы питательных сред и их классификация

В арсенале современных микробиологов насчитываются сотни рецептов питательных сред. Для удобства использования их классифицируют по нескольким ключевым признакам.

По консистенции (физическому состоянию)

В зависимости от плотности среды делятся на три основные группы, что позволяет решать разные исследовательские задачи.

По составу и целевому назначению

В зависимости от того, какую цель преследует микробиолог, он выбирает среду с определенным набором компонентов:

1. Простые (базовые) среды. Являются основой микробиологической практики. Чаще всего они однокомпонентные или имеют очень простой состав. К ним относятся пептонная вода, питательный бульон (мясопептонный бульон - МПБ) и мясопептонный агар (МПА). На них хорошо растут неприхотливые гетеротрофы.
2. Сложные среды. Изготавливаются на базе простых сред путем добавления дополнительных питательных веществ: крови, сыворотки, углеводов, витаминов. Примерами служат сахарный бульон или кровяной агар. Они необходимы для культивирования требовательных микроорганизмов, например, стрептококков.
3. Элективные (избирательные) среды. Созданы для того, чтобы на них избирательно рос только один определенный вид микробов. В такие среды добавляют ингибиторы (соли, антибиотики, красители), которые подавляют рост всех остальных микроорганизмов, кроме искомого.
4. Среды обогащения. По своему принципу похожи на элективные, но обычно применяются в жидком виде. Они способствуют активному и быстрому размножению определенного патогена, замедляя рост сопутствующей нормальной микрофлоры (например, селенитовый бульон для сальмонелл).
5. Дифференциально-диагностические среды. Служат для детального изучения ферментативной активности бактерий. Они обязательно содержат специфический субстрат (например, лактозу) и химический индикатор. Если бактерия расщепляет субстрат, меняется рН среды, и индикатор окрашивает колонию или саму среду в другой цвет. Это позволяет визуально отличать одни бактерии от других.
6. Комбинированные среды. Сочетают в себе свойства сразу нескольких сред, например, элективной и дифференциально-диагностической. Это позволяет одновременно выделить нужный микроорганизм из сложной смеси и сразу же определить его биохимические свойства, что существенно ускоряет процесс лабораторной диагностики.

Понимание того, как именно протекает питание бактерий и какие факторы влияют на этот процесс, является ключом к управлению микромиром. Создавая искусственные условия, человек научился не только распознавать опасных врагов, но и использовать созидательный потенциал микроорганизмов во благо медицины, промышленности и экологии.