• Невозможность выращивания многих прокариотических организмов в лабораторных условиях препятствует расширению наших знаний о всем разнообразии условий их существования
• В качестве показателя, иллюстрирующего разнообразие условий существования микробов, занимающих различные экологические ниши, использовали данные исследования образцов ДНК
• Прокариотические организмы можно характеризовать по способности существовать и размножаться в самых различных температурных условиях, в широком диапазоне величин pH и осмотического давления, а также при разном содержании кислорода в окружающей среде
Наши представления о мире прокариот выглядели искаженными из-за того, что эти организмы можно (или нельзя) было культивировать в лаборатории. Было установлено, что свыше 99% прокариот, обитающих в окружающей среде, не поддаются культивированию с использованием стандартных приемов. Этот факт является существенной проблемой, поскольку наши представления о разнообразии прокариот сформировались на основании исследований их культур в лабораторных условиях.
Несмотря на это, исследование образцов ДНК показывает, что прокариоты представляют собой чрезвычайно разнообразные организмы, обитающие в самых различных местах. Они могут существовать на поверхности нашего тела, в прудах, озерах и реках, в источниках на дне океанов и в термических источниках, температура воды в которых может превышать 100 °С. Вызывает удивление разнообразие продуктов питания, используемых прокариотами для обеспечения своей жизнедеятельности. На их рост влияют многие факторы, включая такие как pH, температура, степень оксигенации, наличие воды, и величина осмотического давления.
В свою очередь, для каждого из этих физических факторов окружающей среды, важную роль играет наличие таких продуктов питания, как источники углерода, азота, серы, фосфора, а также витаминов и микроэлементов. Мы рассмотрим основные факторы, ограничивающие рост прокариот, и приведем примеры микроорганизмов, которые приближаются к этим границам. На рисунке ниже представлена классификация прокариот, в зависимости от условий их существования и роста.
В зависимости от способности расти при разных температурах, прокариоты можно разделить на три группы: психрофилы, мезофилы и термофилы. Псих-рофилы представляют собой холодолюбивые организмы, которые лучше растут при температуре между 15 и 20 °С, а некоторые виды прекрасно растут и при 0 °С. Bacillus glodisporus является облигантым психрофилом. Это означает, что микроорганизм не может расти при температурах выше 20 °С.
Психрофилы не могут обитать в организме человека из-за относительно высокой температуры тела, однако они населяют холодные воды и почву. Как и следует ожидать, ферменты психрофилов лучше всего функционируют при низкой температуре. Благодаря этому свойству, они являются объектом биотехнологической промышленности. Например, протеазы, выделенные из психрофилов, используются в качестве реагентов для чистки контактных линз, поскольку обладают высокой активностью при комнатной температуре. «Ледяные» психрофилы использовали в качестве своеобразного биологического антифриза, с тем чтобы предотвратить вымерзание посевов.
Большинство известных микроорганизмов, относящихся к мезофилам, лучше всего растут между 25 и 40 °С. Эта группа бактерий детально исследована, поскольку включает почти все патогенные микробы человека. Некоторые микроорганизмы этой группы проявляют устойчивость к кратковременному воздействию высоких температур, что необходимо учитывать при консервировании или пастеризации пищевых продуктов.
Термофилы являются теплолюбивыми микроорганизмами, которые обычно растут при температуре между 50 и 60 °С, хотя некоторые виды могут переносить температуру до 110°С. Genus sulfolobus, представитель одного из семейств архей, обычно обитает в геотермальных источниках, один из которых показан на рисунке ниже (верхняя фотография), и лучше всего растет при температуре 80-85 °С. Эти организмы относятся к группе гипертермофилов, и их ферменты используются во многих практических целях.
Наибольшую известность, по-видимому, получила ДНК-полимераза из Thermus aquaticus, используемая в полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая осуществляется в лабораториях по всему миру. Эти полимеразы устойчивы при высоких температурах, что позволяет им оставаться активными при многократных циклах нагревания и охлаждения, которые необходимы для денатурации и ренатурации двухцепочечной матричной ДНК в ходе ПЦР.
Прокариоты также классифицируются в зависимости от их способности расти в кислотном и щелочном окружении. Как мы видели на примере температурозависимого роста прокариот, многие микробы устойчивы к изменениям pH, что позволяет им занимать экологические ниши, не подходящие для других организмов. Ацидофилы представляют собой кислотолюбивые организмы, которые лучше всего растут при значениях pH ниже 5,4. Эти микробы часто продуцируют кислоту в качестве побочного продукта брожения, например Lactobacillus сбраживает глюкозу в молочную кислоту, что локально снижает pH и ингибирует рост неацидофильных микроорганизмов.
Нейтрофилы, к которым относятся большинство патогенов человека, хорошо растут при pH от 5,5 до 8,0. Алкалофилы представляют собой щелочелюбивые организмы, растущие при pH 8,0 и выше. Некоторые прокариоты, обитающие в почве, относятся к наиболее толерантным из известных организмов и иногда растут при pH 12. Патогенный микроб человека, Vibrio cbolerae лучше всего растет при значениях pH около 9. В большинстве случаев устойчивость микробов к pH объясняется защитной ролью клеточной стенки. Хотя оптимальный рост микробов отмечается при определенных значениях pH окружающей среды, значение pH внутри клетки остается около 7.
Отклонения от нейтральных значений pH могут вызвать денатурацию белков и нарушить протонный градиент через цитоплазматическую мембрану. Значения pH внутри клетки поддерживаются за счет функционирования белков ионного транспорта, находящихся в цитоплазматической мембране.
При дыхании кислород служит эффективным акцептором электронов. Однако не всем организмам для дыхания необходим кислород, и некоторые прокариоты для дыхания вообще не используют кислород, а продуцируют энергию за счет брожения. Поскольку требования к кислороду среди прокариот широко варьируют, этот показатель удобно использовать для классификации. К облигатным аэробам относятся микроорганизмы, для роста которых абсолютно необходим кислород.
К числу облигатных аэробов относятся некоторые виды Pseudomonads, которые в стационарах являются причиной развития многих инфекций. В то же время микроаэрофилы лучше растут в том случае, когда уровень кислорода невелик, а содержание двуокиси углерода высокое. Некоторые прокариоты могут расти в кислородной среде, однако не используют его в метаболических процессах. Для таких аэротолерантных организмов, например Lactobacillus, характерно только брожение, несмотря на наличие кислорода в окружающей среде. Анаэробы представляют собой прокариоты, растущие в бескислородной среде.
Такие анаэробы, как Bacteroides, погибающие в присутствии свободного кислорода, называются облигатными анаэробами. Факультативные анаэробы в присутствии кислорода осуществляют аэробное дыхание, однако в отсутствии терминального акцептора электронов переключаются на брожение. Прокариоты, заселяющие кишечник и мочевыводящие пути человека, т. е. области с низким содержанием кислорода, обычно относятся к факультативным анаэробам. Эти микроорганизмы, к которым относится Е. coli, обладают сложными ферментными системами, которые обеспечивают им гибкость энергетических процессов.
Для роста всех прокариот необходима вода. Однако микробы, обитающие в воде, должны противостоять гидростатическому давлению и недостатку питательных веществ. В озере на глубине 50 м развивается давление воды, в 32 раза превышающее атмосферное. Такого давления достаточно для того, чтобы любой организм, включая и некоторых микробов, ощущал сильный дискомфорт. Барофилы представляют собой прокариоты, которые обитают в океане на глубине превышающей 7000 м. Давление на такой глубине достаточно для того, чтобы превратить любую другую форму жизни в аморфную слизь.
Интересно, что барофилы не могут существовать при нормальном атмосферном давлении, поскольку клеточная стенка у них функционирует надлежащим образом только при высоком давлении.
Еще одним фактором, влияющим на рост прокариот, является осмотическое давление. Осмотическое давление возникает из-за разницы концентраций растворенных веществ в окружающей среде и внутри клетки. Если прокариоты оказываются в среде, содержащей высокую концентрацию растворенных веществ, из цитоплазмы клетки начинает выходить вода и клетка претерпевает плазмолиз (сжатие клетки). Напротив, микробы, попавшие в окружение, в котором содержится немного растворенных веществ, захватывают воду и набухают.
Основная функция плазматической мембраны заключается в том, что она противодействует осмотическому давлению, ограничивая обмен растворенными веществами между цитоплазмой клетки и окружающей средой.
