Microbiology

Биохимическое единство, мысль о котором еще несколько десятилетий назад казалась столь невероятной, в настоящее время-твердо установленный факт. Клетки всех живых существ, от самых примитивных форм до наиболее высокоразвитых животных и растений, состоят из од них и тех же структурных элементов и используют одни и те же механизмы для получения энергии и для роста. По сравнению с этим фунда­ментальным единством существующие различия и отклонения кажутся незначительными. Можно считать, что все ныне живущие организмы проделали вместе длинный путь развития. Из простейших форм посте пенно развились формы более сложные и специализированные, а потом, наконец, и те, которые населяют нашу планету сегодня. Этот процесс эволюционного развития организмов - одна из центральных проблем биологии.

Микроорганизмы сыграли важнейшую роль в построении земной коры. В значительной мере в результате их деятельности произошло частичное разделение химических элементов и соединений, залегавших в ко­ренных породах в виде смесей. Месторождения многих полезных ископаемых, разрабатываемые в настоящее время, своим возникновением полностью или частично обязаны деятельности микроорганизмов.

Симбио́з (от греч. συμ- — «совместно» и βίος — «жизнь») — это взаимодействие и сосуществование представителей разных биологических видов.

В природе встречается широкий спектр примеров взаимовыгодного симбиоза. От желудочных и кишечных бактерий, без которых было бы невозможно пищеварение, до растений (зачастую орхидеи), чью пыльцу может распространять лишь один, определённый вид насекомых. Такие отношения успешны всегда, когда они увеличивают шансы обоих партнёров на выживание. Осуществляемые в ходе симбиоза действия или производимые вещества являются для партнёров существенными и незаменимыми. В обобщённом понимании такой симбиоз — промежуточное звено между взаимодействием и слиянием.

Различия во внешнем виде и в строении животных и растений, служившие вплоть до прошлого столетия основой классификации живых существ, видны с первого взгляда. Эти различия определяются принци­пиальной разницей в способе питания. Животные питаются готовыми органическими веществами (С-гетеротрофно), которые внутри их тела, в пищеварительном тракте, перевариваются и всасываются. В процессе эмбрионального развития животного пищеварительная полость образуется у него путем впячивания стенки зародыша на стадии гаструляции: этот процесс должен обеспечить образование внутренних всасывающих поверхностей. Такой структурный принцип характерен для всего животного царства, от кишечнополостных (Hydrozoa; пример - гидра) до высших позвоночных.

Элементарной физической единицей живого является клетка; это наименьшая жизнеспособная единица. По своему химическому составу все живые существа очень сходны. Основные компоненты всякой клетки - это дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновые кислоты (РНК), белки, липиды и фосфолипиды. Изучение тонкого строения раз личных типов клеток позволило, однако, выявить заметные различия между бактериями и цианобактериями, с одной стороны, и животными и растениями (включая также их микроскопически малых представителей) - с другой. Различия между теми и другими настолько глубоки, что эти две группы организмов противопоставляются друг другу как прокариоты и эукариоты. Прокариот мы вправе рассматривать как реликтовые формы, сохранившиеся с самых ранних времен биологической эволюции, а появление эукариотических форм, возникших из прокариот, - как величайший скачок в истории жизни.

В соответствии со своей ролью и функцией в балансе природы организмы разделяются на три группы. Зеленые растения синтезируют органические вещества, используя энергию солнца и углекислоту, поэтому их называют продуцентами. Животные являются потребителями (консументами); они расходуют значительную часть первичной биомассы для построения своего тела. Тела животных и растений в конце концов подвергаются разложению, при котором органические вещества превращаются в минеральные, неорганические соединения. Этот процесс, называемый минерализацией, осуществляют в первую очередь грибы и бактерии; в балансе природы они служат деструкторами. Таким образом, биоэлементы участвуют в циклических процессах. Здесь уместно коротко остановиться на биогеохимических круговоротах углерода, азота, фосфора и серы.

Несведущий в микробиологии видит практическое значение микроорганизмов в первую очередь во вреде, который они причиняют человеку, животным и растениям. Этими болезнетворными (патогенными) ми­кроорганизмами и их специфическими особенностями занимаются такие науки, как медицинская и ветеринарная микробиология, а также фитопатология. Хотя микроорганизмы и в других сферах природы, и в промышленности выступают иногда в роли вредителей, их роль как полезных организмов существенно преобладает. Они уже давно завоевали себе прочное место в домашнем хозяйстве, а в промышленности они совершенно необходимы. Их используют в самых различных отраслях от первичной переработки сельскохозяйственных продуктов до катализа сложнейших этапов химических синтезов.

Между разными микроорганизмами существуют взаимоотношения различного типа. В процессе эволюции выработались отношения зависимости, взаимной или односторонней, выходящие далеко за пределы связей, обусловленных пищевыми цепями. После того как прокариоты и многие эукариотические микроорганизмы достигли своего современного уровня   развития,   появились   высшие   формы   жизни - новые   потенциальные местообитания для низших. Животные и растения развивались в такой среде, в которой уже существовали почти все типы метаболизма, свойственные прокариотам. Естественно, что создалось множе­ство партнерских отношений между микроорганизмами, с одной стороны, и животными и растениями - с другой. Тесное сожительство двух различных организмов называется симбиозом.

Во многих экосистемах земной биосферы микроорганизмы занимают важное место или являются единственными формами жизни. Все экосистемы рассмотреть невозможно, поэтому мы должны ограничиться лишь несколькими. В эту небольшую выборку следовало бы включить почву как пример наземной экосистемы и океаны и моря как пример водных экосистем. Изучение плодородного пахотного слоя почвы в высшей степени интересно, но из-за наличия здесь огромного числа весьма разнородных организмов в очень малом пространстве экосистема почвы очень сложна. Поэтому мы сосредоточим свое внимание на водных системах, особенно в связи с тем, что большая часть микробиологических превращений происходит в водной среде. Типичными водными экосистемами являются океаны, моря, озера, пруды и проточные водоемы.

Было приложено немало усилий, чтобы выделить и описать отдельные микроорганизмы. Исследования на чистых культурах имеют существенное значение, так как помогают оценить потенциальные возможности и функции отдельных видов в природе. Таксономические, физиологические, биохимические и генетические исследования некоторое время уводили микробиологов в сторону от основной цели их науки - от изучения поведения микроорганизмов в их естественных местах обитания.

Взаимоотношениями организмов между собой и с окружающей средой занимается экология. Экология микроорганизмов исследует лишь отдельные части целостных экологических систем. Экология - очень раз­носторонняя наука, и ее проблемы разрабатываются представителями ряда частных биологических дисциплин и рассматриваются в разных аспектах. В связи с этим даже в употреблении основных экологических понятий нет единства. Мы попытаемся сначала пояснить некоторые общие термины, применяемые в экологии микроорганизмов.