Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ —17
1.1. Роль электронной микроскопии в проведении морфо-физиологических исследований — 17
1.2. Объекты исследования —25
1.3. Методы исследования —28
1.3.1. Основные микробиологические методы —28
1.3.2. Методы определения антагонистической активности —34
1.3.3. Физические методы: —36 -
УФ - и ИК - спектроскопия —36
метод ориентационной кондуктометрии —37
1.3.4. Электронно-микроскопические методы: —37
- метод позитивного окрашивания —38
- модифицированный метод позитивного окрашивания —39
- метод ультратонких срезов —39
- электронно-цитохимический метод выявления полисахаридов —39
- сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) —40
1.3.5. Методы исследования ультраструктурной организации микробных
сообществ, выращенных на плотных питательных средах: —40
- модифицированный метод СЭМ колоний —41
- метод позитивного окрашивания отпечатков с колоний —42
- модифицированный метод ультратонких срезов колоний —42
1.3.6. Электронно-микроскопические методы исследования антагонистических взаимоотношений микроорганизмов, выращенных на плотных питательных средах —43
1.3.7. Методы исследования биодеструктивных изменений различных материалов и памятников культуры: —44
- оценка изменения структуры гранитного щебня —46
- оценка биодеструктивных изменений мрамора —47
-оценка действия биоцида —47
-оценка биодеструкции нефтепродуктов —48
-применение метода позитивного окрашивания для геоэкологической
экспертизы —50
- оценка биодеструктивных изменений памятников культуры (бумага,
пергамен, кожа) —50
1.3.8. Морфометрический метод —51
1.3.9. Статистическая обработка результатов —51
Глава 2. ГЕТЕРОГЕННОСТЬ МИКРОБНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ 52
2.1. Обзор литературы —52
- понятие «микробная популяция» —52
- структура микробных популяций —53
- микробная экология и гетерогенность микробных популяций —55
- морфологическая гетерогенность микробных популяций —56
- регуляторные системы бактериальных популяций — система глобальной регуляции 58
2.2. Результаты исследований —61
2.2.1. Основные морфологические типы клеток —62
2.2.2. Морфологическая гетерогенность микробных популяций при различных воздействиях (повышенная температура, обезвоживание, кислотный и щелочной шоки) —65
2.2.3. Морфологическая гетерогенность микробных популяций Escherichia coli В при разных условиях выращивания —91
2.2.4. Морфологическая гетерогенность микробных популяций Brevibacterium flavum Е531 в процессе роста и биосинтеза лизина —101
2.2.5. Морфологическая гетерогенность микробных популяций Campylobacter jejuni, Campylobacter coli и Helicobacter pylori —111
Глава 3. УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ
3.1. Обзор литературы 121
3.2 . Результаты исследований —135
3.2.1. Ультраструктура бактериальных колоний —135
3.2.2. Ультраструктура бактериальных биопленок —146
3.2.3. Ультраструктура колониеподобных сообществ —150
3.2.4. Ультраструктура смешанных микробных сообществ —158
Глава 4. ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АНТАГОНИСТИЧЕСКИХ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ МЕЖДУ МИКРООРГАНИЗМАМИ 170
4.1. Обзор литературы —170
4.2. Результаты исследований —194
4.2.1. Электронно-микроскопическое исследование антагонистических взаимоотношений прокариотических микроорганизмов (лактобацилл, патогенных и условно-патогенных бактерий) —195
- антагонистическое воздействие лактобацилл на патогенные энтеробактерии Shigella flexneri 2а —195
- антагонистическое воздействие лактобацилл на условно-патогенные грамположительные бактерии Staphylococcus aureus и Bacillus subtilis —200
- антагонистическое воздействие энтеробактерии на лактобациллы —202
4.2.2. Электронно-микроскопическое исследование антагонистических
взаимоотношений прокариотических (лактобацилл) и эукариотических
(дрожжеподобные грибы Candida albicans) микроорганизмов —208
- антагонистическое воздействие лактобацилл на клетки С. albicans —208
- антагонистическое воздействие клеток С. albicans на клетки Lactobacillus acidophilus
Глава 5. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ НА РАЗЛИЧНЫХ СУБСТРАТАХ: ПОЧВА, МИНЕРАЛЫ, НЕФТЬ, БУМАГА, ПЕРГАМЕН, КОЖА
5 5.1. Обзор литературы 215
5.1.1. Биодеструкция минералов и трансформация почвы —215
5.1.2. Биодеструкция нефти и нефтепродуктов —221
5.1.3. Биодеструкция бумаги —228
5.1.4. Биодеструкция кожи и пергамена —230 5.2. Результаты исследований —236
5.2.1. Биогенная трансформация почвы и минералов —236
5.2.2. Биодеструкция мрамора —247
5.2.3. Биодеструкция нефти —255
5.2.4. Биодеструкция органических материалов in vivo (бумага, кожа, пергамен, кость) —265 ЗАКЛЮЧЕНИЕ —276
- Роль электронной микроскопии в проведении морфо-физиологических исследований —
- Обзор литературы
- . Результаты исследований
Введение к работе
Актуальность исследования. Работа относится к новому научному направлению в области микробиологии - микробной экологии, предметом которого является выявление закономерностей взаимодействия микроорганизмов между собой и окружающей средой.
В настоящее время становится все более очевидным, что процессы, в которых участвуют микроорганизмы, как в природных, так и в лабораторных условиях, необходимо наблюдать на уровне популяций, представленных однородными и смешанными микробными сообществами [88,379].
В связи с необходимостью оценки состояния всех структурных компонентов микробиоценоза, подвергающихся изменению в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, исследование структуры микробных сообществ, развивающихся на различных субстратах, является одной из основных и трудно решаемых проблем современной микробной экологии. Решение таких многоуровневых задач возможно только при применении комплексного, системного подхода, что, в свою очередь, требует создания новых методов исследования микроэкологических систем.
Вместе с тем, в настоящее время появились данные, свидетельствующие о существенных различиях в поведении и свойствах бактерий in vivo и in vitro, проявляющихся, например, в их повышенной устойчивости in vivo к антимикробным препаратам, химиопрепаратам, факторам иммунной защиты, а также экстремальным воздействиям окружающей среды [54,354].
В связи с этим, внимание микробиологов в последнее время было обращено на создание новых методов, позволяющих осуществлять комплексные исследования бактерий in situ, т. е. непосредственно в естественных условиях обитания: природных экосистемах или микробных
сообществах в тканях организма-хозяина, развивающихся в качестве нормальной микрофлоры, а также в ходе инфекционного процесса [199].
В развитии исследований данного направления несомненную значимость может представлять разработанный нами комплекс электронно-микроскопических методов, позволяющий выявлять структуру микробных сообществ непосредственно в естественных для них условиях in situ [180].
В основу предложенной автором концепции комплексного анализа структуры микробных сообществ различными электронно-микроскопическими методами положен принципиально новый аспект исследования функционирования микробных популяций, как целостных многоуровневых систем, предполагающих осуществление взаимодействий как между самими микроорганизмами, так и с окружающей средой на молекулярном, клеточном и популяционном уровнях [73].
Анализ собственных результатов и данных литературы позволил предположить, что только при совместном исследовании морфо-физиологических особенностей микроорганизмов, структуры их микробных сообществ, а также состояния субстратов; на которых они развиваются, можно получить полную и углубленную информацию о функциональных характеристиках и механизмах взаимодействия объектов в микроэкосистемах.
Объективный характер электронно-микроскопических исследований таких систем подтверждается, с одной стороны, выявлением влияния микроорганизмов, вызывающих в процессе своей жизнедеятельности деструктивные изменения как в окружающей среде, так и в организме человека. С другой стороны, разработанные нами методы и приемы позволяют достаточно быстро оценить, дифференцировать и прогнозировать реакцию микробиологической составляющей исследуемого микробиоценоза, возникающую в результате воздействия на микроорганизмы физико-химических факторов окружающей среды, таких как температура, обезвоживание, кислотный, щелочной шок и т. д.
Таким образом, получение характеристики структуры микробных сообществ представляется весьма важным и необходимым этапом исследования в связи с высокой информативностью, позволяющей оценить не только общее состояние микробиоценоза, но и прогнозировать в данных конкретных условиях поведение отдельных групп микроорганизмов на основании определения их морфо-физиологических свойств.
Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы — выявление закономерностей и индивидуальных особенностей взаимодействия микроорганизмов между собой и окружающей средой на молекулярном, клеточном и популяционном уровнях.
Электронно-микроскопический анализ микроэкосистем in situ, в основе которого лежит комплексное системное исследование микробных сообществ, включает изучение проблемы на нескольких уровнях, таких как структура самих субстратов и структура развивающихся на них микробных сообществ.
В соответствии с поставленной целью возникла необходимость разработки нескольких аспектов: методического, морфо-физиологического и экологического. В связи с этим были поставлены следующие основные задачи:
Методический аспект
1. Разработать новые электронно-микроскопические методы, модификации методов и приемы для исследования структуры однородных и смешанных микробных сообществ in situ.
Морфо-физиологический аспект
1. Исследовать морфологические особенности бактериальных клеток
различных видов микроорганизмов (представители родов Escherichia,
Shigella, Salmonella, Bacillus, Lactobacillus, Brevibacterium, Staphylococcus,
Campylobacter, Helicobacter и т. д.), в оптимальных условиях и выявить
закономерности их изменений под влиянием экстремальных факторов
(повышенная температура, обезвоживание, низкие и высокие значения рН).
2. Выявить закономерности проявления морфо-физиологической
гетерогенности при оптимальных условиях развития микробных популяций и
на основе проведенного анализа установить динамику изменений
грамотрицательных и грамположительиых бактерий на разных этапах
развития популяций при различных стандартизированных условиях и
изменяющихся параметрах экстремальных воздействии,
3. Проанализировать механизмы, регулирующие морфо-
физиологические свойства клеток в бактериальных популяциях, определить
роль экстраклеточной белковой системы в этих процессах.
4. Провести отработку эффективной методологии для оценки
функционально-структурных изменений на основе комплексного
исследования структуры микробных популяций различными физическими
(ориентационная кондуктометрия, УФ-, ИК-спектроскопия) и электронно-
микроскопическими методами.
Исследовать морфологические особенности однородных микробных сообществ различного типа (колонии, биопленки, колониеподобные сообщества) и смешанных микробных сообществ, состоящих из нескольких различных видов микроорганизмов.
Разработать систему комплексной оценки значимости элементов кооперации и специализации бактериальных клеток в микробных ассоциациях, обеспечивающих функционирование микробных популяций как целостных многоуровневых систем, взаимодействие бактерий в которых осуществляется на молекулярном, клеточном и популяционном уровнях.
7. Определить морфологические признаки, объективно
свидетельствующие о начальном и завершающем этапах проявлений
антагонистических взаимоотношений между прокариотическими
микроорганизмами (на примере лактобацилл, патогенных и условно-
патогенных бактерий), а также между прокариотическими и
эукариотическими микроорганизмами (на примере лактобацилл и
дрожжеподобиых грибов) для осуществления оперативного отбора стандартных систем с заданным алгоритмом функционирования. Экологический аспект
Обосновать критерии электронно-микроскопического тестирования процессов биодеструкции различных материалов, служащих субстратом для развития микроорганизмов.
Разработать электронно-микроскопические методы оценки защиты материалов при их биодеградации.
Создать на основе электронно-микроскопического анализа систему тестирования изменений при биодеструктивных процессах, используя морфологический мониторинг с целью осуществления объективного и стандартизированного контроля за нарушениями структуры микробиоценозов в природных экосистемах, а также в искусственно моделируемых биоценозах.
Научная новизна результатов. Впервые на основе комплексного сравнительного электронно-микроскопического анализа (просвечивающая, сканирующая электронная микроскопия) на клеточном и популяционном уровнях разработана методология количественной и качественной характеристики разных видов микроорганизмов при оптимальных и экстремальных условиях развития и действии физико-химических факторов (повышенная температура, обезвоживание, низкие и высокие значения рН) на примере бактериальных монокультур и микробных ассоциаций.
Впервые на ультратонком уровне различными электронно-микроскопическими методами у широкого круга микроорганизмов выявлено особое морфо-физиологическое состояние бактериальных клеток — покоящиеся формы (электронно-плотные клетки). Показана универсальность данного явления для всех видов исследованных в работе микроорганизмов.
Впервые установлены закономерности в изменении структуры микробных популяций различных видов бактерий на разных этапах развития в жидких и на плотных питательных средах, проявляющиеся в изменении
соотношения различных типов клеток: физиологически активных, покоящихся, автолизированных и инволюционных.
Произведен анализ ультратонкой организации колоний широкого круга микроорганизмов. Впервые показано, что колонии покрыты поверхностной пленкой, в основе которой находится трехслойная мембрана; колонии разделены на зоны, содержащие определенные морфологические типы клеток; между клетками в колониях выявлено два типа контактов: плотное слипание и цитоплазматические мостики, благодаря которым клетки образуют сложную трехмерную систему.
Впервые установлена специфичность ультраструктурных
преобразований в бактериальных клетках при действии экстремальных факторов (тепловых воздействиях, обезвоживании, кислотном и щелочном шоках): характерные морфологические изменения на клеточном (некристаллические гранулы в цитоплазме при тепловых воздействиях) и популяционном (характерное соотношение морфологических типов клеток) уровнях.
Отмечена взаимосвязь между появлением специфических ультраструктурных изменений в клетках и свойствами их внеклеточной среды при тепловых воздействиях.
Впервые выявлено влияние htpR-гена системы теплового шока на проявление морфологических свойств клетками при тепловых воздействиях: морфологические изменения в клетках и колониях энтеробактерий, дефектных по htpR-гену системы теплового шока (некристаллические гранулы в цитоплазме бактерий, толстая поверхностная пленка на ранних стадиях развития колоний, филаментация клеток в результате нарушения процесса септообразования). Установлено, что грануляция цитоплазмы при сублетальном тепловом воздействии обусловлена изменением регуляции метаболизма htpR-геном.
Впервые определены индивидуальные особенности ультраструктурной организации различных типов однородных и смешанных микробных
сообществ, развивающихся на плотных питательных средах (колонии, колониеподобные сообщества, бактериальный газон): защитная поверхностная пленка, межклеточный матрикс, межклеточные контакты, зоны скопления клеток, принадлежащих к определенному морфологическому типу. Выявлены специфические изменения морфологической гетерогенности (соотношения различных морфологических типов клеток), отражающие сложные взаимоотношения микроорганизмов в микробных сообществах различного типа.
Впервые выявлены ультраструктурные особенности строения смешанных микробных сообществ, свидетельствующие о проявлении антагонистических взаимоотношений между микроорганизмами. Показано, что межклеточные взаимодействия в микробных сообществах такого типа проявляются на молекулярном (действие бактериоцинов), клеточном (ультраструктурные изменения в клетках и клеточных органеллах) и популяционном (изменение структуры популяции) уровнях.
Впервые показаны биодеструктивные изменения минералов в процессе физического моделирования регулируемой агроэкосистемы корнеобитаемые среды - растения, свидетельствующие о непосредственном участии микробиоты в трансформации гранитного щебня в биокосное вещество сходное с почвой.
Впервые на основе электронно-микроскопического анализа структуры микробных сообществ и биодеструктивных изменений субстратов (почва, минералы, нефть, бумага, кожа, пергамен) разработаны методы экспресс-анализа для оценки и рекомендаций по охране состояния природных экосистем и культурных памятников.
Научно-практическое значение работы. Научно-практическая ценность полученных результатов заключается в раскрытии закономерностей изменения гетерогенной структуры микробных сообществ различного типа (однородные колонии, колониеподобные сообщества, смешанные бактериальные сообщества), а также сложных механизмов взаимодействия
между микроорганизмами внутри этих сообществах и их воздействия на окружающую среду.
Полученные данные по морфологической гетерогенности микробных популяций различных типов, а также разработанные методы и приемы оценки морфо-физиологического состояния микроорганизмов, особенно выявление покоящихся форм клеток, перспективны для прогноза развития микробных сообществ на различных субстратах in vivo.
Данные по ультратонкому строению смешанных микробных сообществ, морфологические признаки, свидетельствующие о симбиотическом или антагонистическом воздействии микроорганизмов друг на друга, могут быть полезны при создании лекарственных препаратов-пробиотиков и рекомендаций к использованию для биокоррекции при дисбактериозах.
На современном этапе данные по ультратонкому строению микробных сообществ (наличие защитной поверхностной пленки, определенные соотношения морфо-физиологических типов клеток, контакты между клетками, межклеточный матрикс) имеют значение при практической разработке новых методов лечения и диагностики инфекционных заболеваний.
На основе анализа структуры микробных сообществ и
биодеструктивных изменений субстратов, осуществляемых
микроорганизмами, проведена разработка теоретического и экспериментального обоснования целесообразности применения электронно-микроскопического исследования для прогнозирования интенсивности протекающих в различных микробиоценозах процессов.
Близкие характеристики основных параметров микробных сообществ различного типа, выявленные нами в процессе комплексного электронно-микроскопического исследования, позволяют рассматривать микробные сообщества как удобную модель для изучения различных аспектов
взаимодействия микроорганизмов с окружающей средой, в том числе и с организмом человека.
Результаты исследований включены в курс лекций и практических занятий «Микробиология, вирусология и иммунология» на медицинском факультете, в курс лекций «Медицинская микробиология» на биолого-почвенном факультете Санкт-Петербургского государственного университета, отдельные разработки используют в курсах по микробиологии Санкт-Петербургского технологического института, Санкт-Петербургского медицинского университета им. И. П. Павлова, а также Санкт-Петербургской медицинской академии последипломного образования (МАПО).
Апробация работы. Основные результаты и положения работы обсуждались на 42 всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 1 монографии и 41 печатной работе, опубликованных в отечественных изданиях и за рубежом.
Структура и объем диссертации. Материалы диссертации изложены во введении, 5 главах, заключении и выводах. В первой главе представлены основные объекты и методы. В каждой следующей главе первый подраздел посвящен обзору литературы по проблемам, анализируемым в данной главе. В следующих подразделах изложены результаты исследований и заключительные замечания. Работа документирована 200 электронограммами и рисунками, 24 таблицами. Список литературы включает 427 ссылок. Общий объем диссертации - 337 с.
Роль электронной микроскопии в проведении морфо-физиологических исследований
Электронная микроскопия, возникшая несколько десятилетий назад в результате удачного взаимодействия морфологии, биофизики, биохимии и гистологии, в настоящее время из суммы методов превратилась в самостоятельное научное направление, способное в некоторых случаях решать проблемы, осознание которых невозможно в рамках других биологических дисциплин. Благодаря электронной микроскопии, морфология получила в свое распоряжение большой набор методических приемов, позволяющих проводить анализ на молекулярном, клеточном, а в дальнейшем, и на популяционном уровне, используя для исследования объектов комплексный и системный подходы. Существенное преимущество электронной микроскопии состоит в том, что она предоставляет возможность исследовать структурно-функциональные особенности самых различных объектов: органов, тканей, эукариотических и прокариотических клеток, а также, вирусов. В биологическом аспекте структура и функции любого организма представляют собой единое целое, они неразрывно связаны между собой; именно поэтому, возможность их одновременной оценки способствовала бурному развитию электронной микроскопии и ее проникновению во все новые области биологии. Многообразие биологических функций клеток и целых организмов обусловлено особенностями взаимодействия многочисленных ферментных и различных регуляторных систем, включающих сложно организованные и динамично работающие субклеточные и молекулярные структуры. С одной стороны, знания о функциях отдельных клеточных структур и путях метаболизма, получаемые аналитическими методами, в частности, препаративным центрифугированием с последующим выделением отдельных фракций очень важны. Однако наиболее полное комплексное представление может быть составлено на основании изучения субклеточных и надмолекулярных структур в целостной, интактной клетке in situ, где все компоненты находятся в состоянии естественного взаимодействия. Электронный микроскоп, превратившийся из уникального прибора в инструмент, доступный для большинства специалистов, может предоставить эту возможность. В этом плане электронно-микроскопические методы значительно расширяют и углубляют возможности изучения структурно-функциональной организации клеток, органелл, а также любых живых организмов и систем в норме и при патологии. В последнее время при проведении экспериментальных и диагностических исследований для уточнения диагноза и расшифровки патогенеза заболеваний все чаще возникает потребность привлечения самых различных методов электронной микроскопии: трансмиссионной (просвечивающей), сканирующей (растровой), замораживания-скалывания и др. Расширение диапазона использования электронно-микроскопических методов в самых различных областях естественных наук, развитие высокочувствительных способов идентификации различных компонентов клеток, разработка специфических способов регистрации естественного состояния различных живых объектов in situ демонстрируют уникальные возможности и вклад электронной микроскопии в развитие современной биологии и медицины. Электронная микроскопия способна предоставлять принципиально новую информацию, которая может координировать полученные ранее другими методами научные данные и, в конечном итоге, определять все дальнейшее направление научных исследований.
Особо необходимо отметить значение электронно-микроскопических исследований, проводимых в области микробиологии, поскольку только на этом уровне можно осуществить полноценное морфологическое изучение таких микроскопических объектов, как вирусы, бактерии и грибы.
Обзор литературы
Взаимодействие микроорганизмов с окружающей средой происходит на уровне популяций. Взаимоотношения микроорганизмов различных видов также осуществляются на популяционном уровне. Именно популяции служат звеньями экологических цепей. Популяции микроорганизмов, как и любых других организмов, являются элементарными единицами в эволюционных процессах. До последнего времени внимание исследователей, в основном, привлекала разработка прикладных задач популяционной микробиологии, в то время как теоретические вопросы развития популяций микроорганизмов практически не рассматривались.
В настоящее время возникла необходимость проведения исследований закономерностей развития микробных популяций при действии различных факторов окружающей среды, поскольку именно микроорганизмы, являясь единственным звеном биосферы, способным к быстрой адаптации, могут послужить моделью для оценки возрастающего воздействия негативных, в том числе и антропогенных факторов.
Понятие «микробная популяция»
Термин «популяция» активно используют в биологии для характеристики совокупности особей любого вида живых организмов. Существует несколько определений данного термина. Наиболее глубоко значение термина «популяция» раскрыто в определении, данном Н.В. Тимофеевым-Ресовским: «Под популяцией понимается совокупность особей определенного вида, в течение достаточно длительного времени (большого числа поколений) населяющих определенное пространство, внутри которого, практически осуществляется та, или иная степень панмиксии (свободное случайное скрещивание) и нет заметных изоляционных барьеров; которая отделена от соседних таких же популяций той, или иной степенью давления тех, или иных форм изоляции» [цит. по 155].
Для микроорганизмов, которым свойственно, как бесполое, так и половое размножение, наиболее применимо будет определение популяции, данное Н.С. Печуркиным [155]: «Под микробной популяцией понимают совокупность микроорганизмов, происходящих из одного клона, занимающих определенное пространство в течение продолжительного времени и отделенных частично или полностью от соседних таких же совокупностей».
Для микробных популяций характерно сходство реакций при ответе на воздействия окружающей среды. Указанное свойство микробной популяции относится к генетически однородным совокупностям микроорганизмов, размножающимся вегетативным (неполовым) путем. Таким образом, генетически гомогенная популяция - это клоновая культура, произошедшая в результате бесполого размножения клетки, содержащей один нуклеоид. Обычные чистые культуры, получаемые путем пересевов большого числа клеток на свежие питательные субстраты, будут включать ряд мутантных форм и будут представлять уже гетерогенную популяцию.
По мнению Клюйвера А. и Ван-Ниля К.: «Чистые культуры бесспорно не могут считаться однородными во всех отношениях после того, как численность популяции достигнет величины около 108 клеток» [98]. Таким образом, микробная популяция, численность которой превышает 108 клеток, не может считаться однородной и представляет собой гетерогенную по составу совокупность особей.
Структура микробных популяций
Микробные популяции, состоящие из отдельных особей, представляют собой самостоятельные биологические системы, характеризующиеся определенной структурой. Различают несколько типов структуры популяции: половая, возрастная и пространственная [155]. Особи, составляющие популяцию, различаются по полу, возрасту и ряду других показателей
(например, морфо-физиологической активности) и составляют определенные группы, соотношение которых поддерживается и регулируется воздействием различных факторов окружающей средой.
Микробные популяции, в которых, особи размножаются половым путем, характеризуются гетерогенностью структуры по половому признаку. Наибольшим разнообразием отличаются популяции, в которых при размножении происходит различного рода рекомбинации генетического материала, при этом разнообразие генотипов по сложности генетических структур может быть сравнимо с популяциями микроорганизмов, использующих преимущественно половой путь размножения. Половое размножение прокариотических и эукариотических микроорганизмов имеет целый ряд отличий. При конъюгации у прокариот происходит односторонняя передача генетического материала от мужской клетки - донора к женской клетке - реципиенту. Гетерогенность популяции зависит от объема генетического материала, переданного в процессе коныогации. Соотношение полов в популяциях эукариотических микроорганизмов зависит от типа спаривания особей и условий среды. Анализ структуры популяции микроорганизмов по половому признаку затруднен из-за отсутствия четких морфологических отличий полов.
В любой микробной популяции особи отличаются по возрастным характеристикам, которые определяются способом размножения, а также другими особенностями микроорганизмов, в том числе и влиянием различных факторов среды обитания. При этом в популяциях одновременно можно обнаружить клетки, характеризующиеся различными морфо-физиологическими признаками.
. class3 УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ class3
. Результаты исследований
Обзор литературы данной главы посвящен исследованию взаимодействий микроорганизмов в микробных сообществах различного типа. Эта проблема включает несколько микробиологических и социобиологических аспектов. Основываясь на данных о морфогенезе и макроструктуре различных бактериальных популяций, проведен анализ возможных поведенческих механизмов формирования социальных систем у микроорганизмов.
Микроорганизмы являются наиболее удобными объектами для решения многих общебиологических проблем, поскольку для выявления социальных взаимодействий в биоценозах эксперименты на бактериях можно проводить в малых пространственно-временных масштабах. Исследования последних лет показали, что микроорганизмам свойственна сложная социальная организация и поведение. Популяция микроорганизмов может быть рассмотрена как единая кооперативная система с разделением функциональных ролей между ее отдельными особями или даже как единый многоклеточный организм [143, 196, 354]. Макроструктура микробных популяций, проявляющаяся в индивидуальном устройстве ее различных участков, является характерным отражением социальной организации микробных сообществ.
Проблемой социальной организации компонентов живой природы занимается сравнительная этология - наука о поведении различных видов животных. В рамках этологии рассматривают следующие основные формы взаимодействий между индивидами: агонистическое поведение (агрессия, конкуренция, изоляция) и афилиация (социальное облегчение, имитация, кооперация, координация) [61, 76, 149, 181]. В последнее время перечисленные выше понятия стали использовать для определения взаимоотношений между микроорганизмами, что позволило рассматривать многие уже известные микробиологам факты с точки зрения социальной организации.
Многие поведенческие реакции, носящие сложный характер у высших животных, проявляются у микроорганизмов в упрощенном виде. Например, такую форму поведения, как афилиация, наблюдают у микроорганизмов в виде клеточной агрегации (см. гл. 5). Однако, у микроорганизмов отмечены такие сложные формы поведения, как изоляция, которая с позиций современных знаний не находит достаточно четкого и логического объяснения. Агонистическое поведение включает конфликтные формы взаимоотношений между организмами: агрессию, изоляцию и конкуренцию [61].
Агрессия
В природе существует большое число примеров взаимного уничтожения или угнетения микроорганизмами друг друга. Поведение, аналогичное агрессии, может быть прослежено у микроорганизмов не только во внутривидовых, но и в межвидовых взаимоотношениях. Например, цианобактерии рода Anacystis полностью или частично ингибируют рост зеленых водорослей Chlorella, Scenedesmus, Chlamydomonas, Haematococcus [147]. Взаимоотношения такого рода определяются способностью микроорганизмов продуцировать ряд биологически активных веществ (антибиотиков, бактериоцинов), задерживающих рост и развитие чувствительных к ним клеток, при этом, антибиотики являются важным регулятором ряда метаболических процессов и клеточной дифференциации у продуцирующих их организмов [187]. Например, антибиотики функционируют в качестве тригеров при дифференциации клеток продуцента во время синтеза антибиотиков-пептидов в процессе спорообразования у представителей p. Bacillus [143, 361]. Предполагается, что дополнительной функцией пептидных антибиотиков у бацилл является индукция споруляции у конкурирующих микроорганизмов, которые, таким образом могут быть выведены из строя. Не исключено, что и другие биологически активные вещества, не вызывающие гибели конкурирующей микрофлоры, тем не менее, вызывают их инактивацию, а продуцент получает преимущество в потреблении питательного субстрата [62, 143, 63]. Выявлены факты, подтверждающие гипотезу о роли антибиотиков в микробной агрессии. Так, например, введение посторонней микрофлоры в культуру микроорганизма-продуцента стимулирует образование антибиотиков. Грибы Trichotecium roseus синтезируют в 1,7 раза больше антибиотика трихотецина при совместном выращивании с грибами Penicillium chrysogenum [63].
