Бактерии, археи и вирусы

Если мерить успех не размером, а количеством и распространением, бактерии обгоняют всех. Их находят в кипящих источниках и во льдах Антарктиды, в кислотных озёрах и в сверхсолёных водоёмах, на глубине нескольких километров под землёй и в желудке человека, где кислотность близка к кислоте аккумулятора. В одном грамме плодородной почвы их до нескольких миллиардов, а в теле человека бактериальных клеток примерно столько же, сколько собственных.

Появились прокариоты около 3,5 миллиардов лет назад и почти два миллиарда лет были единственными обитателями Земли. За это время они успели изобрести практически все известные способы получения энергии, и эукариоты потом ничего принципиально нового не добавили — лишь позаимствовали бактериальные достижения вместе с самими бактериями, ставшими митохондриями и пластидами.

Почему бактерии так живучи? Ответ сводится к трём причинам, и их стоит уметь назвать:

• • Быстрое размножение. Деление каждые 20–30 минут в благоприятных условиях. Любая полезная мутация распространяется по популяции за часы, а не за поколения.
• • Огромное разнообразие обмена веществ. Есть виды, которым для жизни хватает углекислого газа и сероводорода, и виды, живущие на нефти. Там, где кончается пища для всех остальных, находится бактерия, которая ест именно это.
• • Спорообразование. Плотная оболочка, обезвоженная цитоплазма, полная остановка обмена — и клетка выдерживает кипячение, высушивание, радиацию. Споры сибирской язвы сохраняли всхожесть в почве десятилетиями.

Напомним ловушку, которая повторяется из года в год: спора бактерии — способ пережить неблагоприятные условия, а не размножиться. Одна клетка даёт одну спору, численность не растёт. У грибов и растений спора — именно клетка размножения, и путать эти смыслы нельзя.

Форма бактериальной клетки постоянна для вида, потому что её держит жёсткая муреиновая стенка, и по форме дали названия основным группам:

— кокки — шаровидные. Если после деления клетки не расходятся, получаются пары (диплококки), цепочки (стрептококки, возбудители ангины и скарлатины) или грозди (стафилококки, гнойные инфекции); — бациллы (палочки) — кишечная палочка, возбудители туберкулёза, дифтерии, столбняка; — вибрионы — изогнутые запятой, классический пример холерный вибрион; — спириллы и спирохеты — извитые, спирально закрученные.

Знать эти названия полезно не ради формы: они постоянно встречаются в условиях заданий, и, увидев слово «стрептококк», надо сразу понимать, что речь о бактерии, а не о вирусе или грибе.

Отдельно стоит запомнить, что клеточная стенка бактерий бывает двух устройств, и по ним их разделяет окраска по Граму: у одних стенка толстая и краску удерживает (грамположительные), у других тонкая, но прикрыта наружной мембраной (грамотрицательные). Практический смысл прямой: антибиотики действуют на эти две группы по-разному, и врач подбирает лекарство, зная результат окраски.

Развёрнутые задания по этой теме почти всегда просят объяснить роль микроорганизмов. Отвечать нужно ролями, а не списком названий.

Редуценты круговорота. Бактерии гниения разлагают мёртвые тела и опад до минеральных веществ, возвращая углерод, азот и фосфор в доступную форму. Убери их — и круговорот остановится: питательные вещества окажутся заперты в неразложившихся трупах, а растениям нечего будет всасывать. Именно поэтому в ответе на вопрос «что будет, если исчезнут бактерии» первый пункт — прекращение круговорота веществ.

Азотфиксация. Азота в воздухе 78 %, но растения усваивать его в виде газа не умеют: тройная связь в молекуле слишком прочна. Связывать атмосферный азот способны только некоторые бактерии, в том числе клубеньковые бактерии на корнях бобовых. Отсюда практический приём земледелия: горох, клевер и люцерну сеют в севообороте, чтобы обогатить почву азотом без удобрений. В задании это формулируют так: клубеньковые бактерии живут в симбиозе с бобовым растением, переводят азот воздуха в доступные соединения, а после запашки растительных остатков азот остаётся в почве.

Симбионты пищеварения. В рубце коровы бактерии расщепляют целлюлозу — сама корова этого не умеет. В кишечнике человека они синтезируют витамин K и часть витаминов группы B, подавляют рост опасных микробов.

Хозяйство и медицина. Молочнокислые бактерии дают простоквашу, кефир, сыр, квашеную капусту, силос для скота. Уксуснокислые — уксус. С помощью бактерий очищают сточные воды и производят лекарства; генно-инженерная бактерия с встроенным человеческим геном производит инсулин, которым лечат диабет.

Вред. Болезни человека (чума, холера, туберкулёз, столбняк, дифтерия, ангина), болезни растений и животных, порча продуктов. Способы борьбы вытекают прямо из биологии бактерий: высокая температура денатурирует их белки (кипячение, автоклавирование, пастеризация), высушивание и засолка отнимают воду осмотически, холод замедляет обмен, антисептики и антибиотики разрушают клеточные структуры.

Вирус открыл в 1892 г. Д. И. Ивановский, изучая мозаичную болезнь табака. Вирусная частица (вирион) состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК — никогда обеих сразу) и белковой оболочки капсида; у некоторых есть дополнительная липидная оболочка — суперкапсид, взятая из мембраны клетки-хозяина. Размеры вирусов 20–300 нм, то есть они в десятки раз мельче бактерий и видны только в электронный микроскоп. Цикл размножения бактериофага: адсорбция на клеточной стенке → введение нуклеиновой кислоты внутрь клетки (капсид остаётся снаружи) → подавление генома хозяина и синтез вирусных белков и копий нуклеиновой кислоты на ресурсах клетки → самосборка новых вирионов → лизис клетки и выход потомства. У ретровирусов (ВИЧ) генетический материал — РНК; фермент обратная транскриптаза синтезирует на ней ДНК, которая встраивается в геном клетки. ВИЧ поражает Т-лимфоциты (Т-хелперы), из-за чего рушится иммунная защита и развивается СПИД. Другие вирусные болезни: грипп, гепатиты, корь, оспа, бешенство, полиомиелит, вирус табачной мозаики у растений.

Вирусы устроены предельно просто, но именно поэтому чрезвычайно разнообразны по тому, что и как они заражают.

По типу наследственного материала бывают ДНК-содержащие (герпес, оспа, аденовирусы, вирусы гепатита B) и РНК-содержащие (грипп, корь, краснуха, полиомиелит, бешенство, ВИЧ, коронавирусы). Правило без исключений: в одной вирусной частице только один тип нуклеиновой кислоты, и ДНК, и РНК одновременно не бывает никогда. Это готовый неверный вариант в задании 11.

По хозяину различают вирусы животных, вирусы растений и бактериофаги — вирусы бактерий. Фаг устроен как микроскопический шприц: головка с ДНК, полый стержень и нити для посадки на бактериальную стенку. Внутрь уходит только нуклеиновая кислота, белковая оболочка остаётся снаружи — именно этот опыт доказал в своё время, что носитель наследственной информации — ДНК, а не белок.

Почему РНК-вирусы изменчивы. Копирование РНК идёт без надёжной проверки ошибок, которая есть у ДНК. Мутаций накапливается много, поверхностные белки меняются, и антитела, выработанные к прошлогоднему штамму, новый уже не узнают. Отсюда ежегодное обновление вакцины от гриппа и невозможность переболеть им «раз и навсегда».

Пути передачи стоит держать списком, потому что о них спрашивают в заданиях о профилактике: воздушно-капельный (грипп, корь, ветряная оспа), пищевой и водный (гепатит A, полиомиелит), контактный (герпес, папилломавирус), через кровь и половым путём (ВИЧ, гепатиты B и C), трансмиссивный, то есть через укус переносчика (клещевой энцефалит, жёлтая лихорадка), от матери к плоду (краснуха, ВИЧ).

Профилактика и лечение. Главный инструмент — вакцинация: организм заранее вырабатывает антитела к ослабленному или убитому возбудителю либо к его белкам. Именно вакцинацией человечество полностью уничтожило натуральную оспу — единственную болезнь, побеждённую окончательно. Против самих вирусов существуют противовирусные препараты, но антибиотики бесполезны: они бьют по бактериальным структурам, которых у вируса нет.

Вирус казался пределом простоты: нуклеиновая кислота и белковая оболочка. В конце XX века выяснилось, что бывает проще — и это заставило пересмотреть само представление о том, что может быть заразным.

С чего начали. У овец давно известна болезнь, разрушающая мозг; у людей описаны сходные редкие заболевания. Ткань мозга при них становится губчатой, пронизанной пустотами. Возбудитель передавался, то есть был заразным, но вёл себя странно: он переживал кипячение, ультрафиолет и обработку ферментами, разрушающими нуклеиновые кислоты. Иначе говоря, он оставался заразным после того, как любая ДНК или РНК была бы уничтожена.

Объяснение, в которое не верили. Стэнли Прузинер в 1982 году предположил, что возбудитель — это белок, и назвал его прионом. Предположение противоречило основам: белок не несёт наследственной информации и не может размножаться. Идею встретили крайне скептически. В 1997 году Прузинеру присудили Нобелевскую премию.

Как это работает. Механизм оказался изящным и жутковатым. Такой белок существует в организме в норме; беда в том, что он может принять другую пространственную форму — неправильно свёрнутую. И эта неправильная форма, столкнувшись с нормальной молекулой того же белка, заставляет её свернуться так же. Одна изменённая молекула превращает соседнюю, две превращают четыре — и процесс нарастает лавинообразно. Неправильно свёрнутые белки слипаются в нерастворимые отложения, нервные клетки гибнут, в мозге появляются пустоты.

Заметьте: размножения в обычном смысле нет. Ничего не копируется, не считывается, не синтезируется заново. Передаётся форма, и этого достаточно.

Почему это касается всех. В 1980–1990-е годы в Британии разразилась эпидемия губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота, известной как коровье бешенство. Причина была хозяйственной: скот кормили мясокостной мукой, изготовленной из останков других животных, — травоядным скармливали переработанных животных, и прион пошёл по кругу. Часть заболевших животных попала в пищу людям, и заболели люди. Пришлось уничтожить миллионы голов скота и запретить такие корма.

Что отсюда следует для экзамена. Во-первых, прион — не вирус и не бактерия: у него нет нуклеиновой кислоты вовсе. Во-вторых, обычные способы обеззараживания против него не работают. В-третьих, это ещё один довод в пользу того, что свойства белка определяются его пространственной структурой, — тема, с которой начинался модуль о клетке. Одна и та же последовательность аминокислот в двух разных укладках даёт нормальный белок и смертельный агент.