Вируси, бактерии, протисти и гъби
🧫 През септември 1928 г. Александър Флеминг се връща от почивка в лабораторията си в Лондон. На масата го чакат петрита със стафилококи, оставени без надзор. В едно от тях е паднала спора на плесен – и около синкавозелената колония бактериите са изчезнали. „Колко странно“, казва Флеминг. Плесента Penicillium отделя вещество, което убива бактерии. Флеминг го нарича пеницилин. Двайсет години по-късно, след като Хауърд Флори и Ърнст Чейн успяват да го пречистят и произведат в големи количества, пеницилинът спасява милиони ранени и болни. Един микроорганизъм срещу друг – и трима учени с Нобелова награда през 1945 г.
1. Невидимият свят
Около 1676 г. търговецът на платове Антони ван Льовенхук погледнал през собственоръчно шлифованите си капка вода и видял в нея хиляди мънички „животинки“. Днес знаем, че микроорганизмите са най-многобройните живи същества на Земята. Те принадлежат към много различни групи: бактериите и археите са прокариоти (без ядро – за строежа на клетката им виж Строеж на клетката), протистите и гъбите са еукариоти, а вирусите изобщо не са клетки. Как всички тези групи се подреждат в дървото на живота, е разказано в урока Систематика на растенията и животните.
| Обект | Клетка? | Размер |
|---|---|---|
| вирус на грипа | не | ≈ 100 nm |
| бактерия E. coli | прокариотна | ≈ 2 µm |
| дрожди | еукариотна | ≈ 5–10 µm |
| чехълче (Paramecium) | еукариотна | ≈ 0,2–0,3 mm |
| хифа на плесен | еукариотни клетки | дебелина ≈ 5 µm |
2. Вируси
През 1892 г. Дмитрий Ивановски прекарва сок от болни тютюневи листа през порцеланов филтър, който задържа всички бактерии. И все пак филтрираният сок заразява здрави растения. Причинителят – вирусът на тютюневата мозайка – е видян чак с през 1939 г.
Вирус
Повечето вируси са между 20 и 300 nm – десетки пъти по-малки от бактерия – и се виждат само с електронен . Капсидът често е правилен двайсетостен (икосаедър) или спирала. Всеки вирус напада определени клетки: грипът – клетките на дихателните пътища, – с рецептора CD4, – бактерии. Вирусът разпознава клетката по рецепторите на повърхността ѝ.
Живи ли са вирусите? Имат , мутират и еволюират. Но извън клетката не правят нищо – не дишат, не растат и не се делят. Затова често се описват като „на границата на живото“. Дори по-прости са вироидите – само малка кръгова РНК (около 250–400 ) без капсид, която заразява растения, и прионите – с неправилно нагъване, които карат нормалните белтъци да се нагъват като тях (луда крава, болест на Кройцфелд–Якоб). Прионите нямат нуклеинова ; за откриването им Стенли Прусинър получава Нобелова награда през 1997 г.
Ретровирус
греши често и ХИВ мутира бързо – затова се лекува със смес от няколко лекарства едновременно (как се използва този в лабораторията, виж Генни технологии). Вирусът на грипа също е РНК вирус, а геномът му е разделен на 8 сегмента. Малките (антигенен дрейф) налагат да се обновява всяка година. Когато два различни грипни вируса заразят една клетка, сегментите им могат да се разменят – така се появяват съвсем нови щамове, които предизвикват пандемии. Защитата срещу вирусите – и ваксини – е тема на отделен урок.
3. Литичен и лизогенен цикъл
Бактериофагите (фагите) са вирусите на бактериите, открити от Фредерик Туорт (1915) и Феликс д’Ерел (1917). Фагът Т4 прилича на лунен модул: глава с ДНК, куха опашка и шест опашни нишки. С фаги през 1952 г. Хърши и Чейс доказват, че генетичният материал е ДНК – в бактерията влиза само тя, а белтъчната обвивка остава отвън.
Литичен и лизогенен цикъл
Опашните нишки на фага разпознават рецептори по повърхността на бактерията и се закрепват.
Литичният цикъл завършва със смъртта на клетката.
💡 Времената са за фаг Т4 в E. coli при 37 °C. Т4 има само литичен цикъл; лизогенен цикъл имат „умерените“ фаги като фаг ламбда. Мащабът е условен: истинската бактерия е около 2 µm, а фагът – около 0,2 µm.
Пример
Към 10⁸ бактерии са добавени 2·10⁸ фага. Средно колко фага се падат на една бактерия и каква част от бактериите остават незаразени? Фаговете попадат в клетките случайно (разпределение на Поасон).
- Средно фага на бактерия (множественост на заразяване, MOI).
- Вероятност една клетка да не получи нито един фаг: .
- Около 13,5 % остават незаразени – дори когато фаговете са двойно повече от бактериите.
Някои токсини на опасни бактерии са кодирани от профаги: дифтерийният бацил и холерният вибрион са опасни именно защото носят вграден фаг. Днес фагите се изпитват и като лекарство срещу бактерии, устойчиви на антибиотици (фагова терапия).
4. Бактерии: форма, стена, размножаване
По форма бактериите са коки (кълбовидни; по двойки – диплококи, във верижки – стрептококи, в гроздове – стафилококи), бацили (пръчковидни), вибриони (като запетая) и спирили (спирални). Много от тях се движат с камшичета, а с къси власинки (пили) се залепват за повърхности.
Оцветяване по Грам
Разликата е важна в медицината: външната мембрана на Грам-отрицателните бактерии (например E. coli, салмонела) спира много антибиотици, включително пеницилина, и ги прави по-трудни за лечение.
Бинарно делене
Бактериите нямат , но могат да обменят гени. При конюгацията (Ледерберг и Тейтъм, 1946) една клетка свързва с друга през тръбичка (пил) и ѝ предава копие от плазмид. Бактериите поемат и ДНК от околната среда (трансформация), а фагите понякога пренасят гени от клетка в клетка (трансдукция). Така гените за устойчивост на антибиотици се разпространяват дори между различни видове.
При глад или изсъхване някои бацили (Bacillus, Clostridium) образуват ендоспори: покойна клетка с дебела обвивка и почти без вода. Ендоспорите издържат часове варене, години суша и дезинфектанти. Затова лабораторните съдове и хирургическите инструменти се стерилизират в автоклав – 121 °C под налягане за 15–20 min, а консервите се стерилизират особено грижливо: спорите на Clostridium botulinum оцеляват при варене, а в затворения буркан без въздух могат да и да образуват смъртоносния ботулинов токсин.
5. Растеж на бактериите
Експоненциален растеж
Растежна крива
поколения: log₂(N/N₀) = 12,9; (t − лаг)/g = 13,0
В логаритмичен мащаб експоненциалният растеж е права линия: наклонът показва колко бързо се делят клетките.
💡 Моделът: след лаг фазата клетките се делят на всеки g минути, докато храната ги ограничи до около 10⁹ в 1 ml (логистичен растеж); след 6 h в стационарна фаза живите клетки намаляват по десет пъти на 4 h. Опитай: при един и същ брой поколения две криви с различно N₀ са успоредни в логаритмичен мащаб. Добави пеницилин в логаритмичната фаза и после в стационарната.
Пример
В 9:00 в 1 ml има 3·10⁴ бактерии, а в 11:30 – 9,6·10⁵. Какво е времето на генерация, ако през цялото време са в логаритмична фаза?
- – 5 поколения
Ако една бактерия E. coli се делеше на всеки 20 min цяло денонощие, потомците ѝ щяха да са – с маса няколко хиляди тона. Това никога не става: храната свършва много по-рано. В природата бактериите обикновено растат бавно и прекарват по-голямата част от живота си в „стационарна фаза“.
6. Как се броят бактерии
Бактериите са твърде много и твърде малки, за да се броят една по една. Затова пробата се разрежда многократно и малък обем се посява върху твърда хранителна среда в петри. Всяка жива клетка се дели и след денонощие се превръща в колония, видима с просто око. Методът е на Роберт Кох, който през 1880-те години въвежда твърдите среди с агар и петритата (изобретени от неговия асистент Юлиус Петри).
Брой бактерии от брой колонии
Колониите са толкова много, че са се слели – „твърде много за броене“ (TNTC). Избери по-голямо разреждане.
💡 Всяка жива клетка (или слепена група клетки) дава една колония – затова резултатът се дава в колониеобразуващи единици (CFU). Броят на колониите е случаен (разпределение на Поасон): при 100 очаквани колонии обикновено се получават между 80 и 120. Сравни оценките от две съседни разреждания.
Така се проверява качеството на питейната вода, на храните и на лекарствата. Методът брои само живите клетки, които могат да растат на тази среда. Под микроскоп в почвата и морската вода се виждат многократно повече клетки, отколкото пораства в петрито – повечето видове бактерии още никой не е успял да отгледа в лаборатория.
7. Как се хранят бактериите и защо са ни нужни
Бактериите са изобретили почти всички начини за получаване на енергия. Фотоавтотрофите (цианобактериите) фотосинтезират като растенията – преди около 2,4 милиарда години те насищат атмосферата с кислород, а са техни потомци. Хемоавтотрофите (например ) получават енергия от на неорганични вещества – амоняк, сероводород, желязо. Повечето бактерии обаче са хетеротрофи: сапротрофи, които разграждат мъртва органична материя, или паразити, които живеят за сметка на гостоприемника. Много бактерии получават енергия и без кислород – чрез ферментация или .
Азотфиксация
Без азотфиксиращите бактерии нямаше да има белтъци и нуклеинови киселини в растенията – тройната връзка в N₂ е една от най-здравите в химията. Затова фасулът, грахът и детелината обогатяват почвата с азот.
Болестотворни бактерии (патогени) причиняват туберкулоза, холера, чума, тетанус, ангина. Роберт Кох открива причинителя на туберкулозата през 1882 г. и формулира правилата (постулатите на Кох), по които се доказва, че даден микроб причинява дадена болест: микробът се открива при всички болни, отглежда се в чиста култура, предизвиква болестта у здрав организъм и се изолира отново от него.
Но повечето бактерии са безвредни или полезни. В червата на човек живеят около бактерии – приблизително колкото са собствените ни клетки. Те разграждат , произвеждат (K, B₁₂) и пречат на патогените да се заселят. Бактериите ни дават кисело мляко, сирене, кисело зеле и оцет, произвеждат и пречистват отпадните води. През 1905 г. българинът Стамен Григоров открива в Женева бактерията на българското кисело мляко – днес Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus.
8. Археи
През 1977 г. Карл Воуз сравнява последователностите на рибозомната РНК на различни микроби и открива, че някои „бактерии“ всъщност се различават от бактериите толкова, колкото и от нас. Той ги нарича археи.
Археи
Много археи са екстремофили: живеят в горещи извори и около подводни вулкани (рекордът е растеж при 122 °C), в наситени солени езера, в много кисела среда. Метаногенните археи в блатата и в на кравите отделят метан. Но археи има и в почвата, океана и червата ни – те съвсем не са само „екзотика“. Днес много биолози смятат, че е произлязла от сливане на архея с бактерия.
9. Антибиотици
Антибиотик
Пеницилинът пречи на зашиването на пептидогликана в нова , затова убива само растящите бактерии – провери го в лабораторията за растеж по-горе. Антибиотиците не действат на вирусите: те нямат стена, и собствен обмен. Чувствителността на бактерията се проверява с дискове, напоени с различни антибиотици, поставени върху петри с посети бактерии: колкото по-широк е светлият кръг без растеж около диска (зона на инхибиране), толкова по-чувствителна е бактерията.
Всяко ненужно взимане на антибиотик подбира устойчивите бактерии – как става това, е разказано в урока Естествен отбор и популационна генетика. Затова антибиотици се пият само по лекарско предписание и курсът се завършва, както е назначен.
10. Протисти
Протисти
Водораслите фотосинтезират: едноклетъчната хламидомонада с два камшика, диатомеите с черупки от силициев диоксид, огромните кафяви водорасли (като гигантския келп), които стигат десетки метри. Морският фитопланктон – едноклетъчни водорасли и цианобактерии – извършва около половината от на Земята.
Сред протозоите амебата се движи и обгражда храната си с псевдоподи (лъжливи крачета) – . Чехълчето (Paramecium) е покрито с хиляди реснички, има две ядра – голямо и малко – и съкратителни вакуоли, които изпомпват постъпилата с вода. Еуглената има хлоропласти и светлочувствително очно петно, но на тъмно се храни – тя е пример за това колко условна е границата между „растение“ и „животно“. Слузестите гъби (миксомицетите) пък пълзят като огромна многоядрена клетка; жълтата Physarum намира най-краткия път през лабиринт към храната.
Малария
По данни на Световната здравна организация всяка година маларията засяга над 250 милиона души и убива около 600 хиляди – повечето деца в Африка. Причинителят е открит през 1880 г. от Алфонс Лаверан, а ролята на комара – от Роналд Рос през 1897 г. В България маларията е била масова болест до средата на XX в. и е изкоренена след пресушаването на блатата и борбата с комарите; днес случаите у нас са внесени от чужбина.
11. Гъби и лишеи
Гъби
Дрождите са едноклетъчни гъби, които се размножават с и ферментират захарите до етанол и CO₂ – с тях се правят хлябът, виното и бирата. Плесените (Mucor, Penicillium, Aspergillus) образуват пухкав мицел по храната. Това, което наричаме „гъба“ в гората, е само плодното тяло – мицелът е под земята и може да заема огромна площ. Мицелът на една опенка (Armillaria) в Орегон, САЩ, покрива близо 10 km² и вероятно е на хиляди години – един от най-големите организми на Земята.
Гъбите са главните разлагачи на дървесината – без тях горите щяха да се задушат в паднали стволове. Около 80 % от сухоземните растения образуват микориза: хифите обвиват корените или проникват в тях, доставят на растението вода и фосфор и получават захари. Има и паразитни гъби – по растенията (ръжда, мана, главня) и по хората (кандидоза, гъбички по краката). Някои гъби са смъртно отровни – най-опасна е зелената мухоморка, която обърква беритбарите, защото прилича на ядливи гъби. Молекулните данни показват, че гъбите са по-близки роднини на животните, отколкото на растенията.
Лишей
Лишеите първи се заселват по голи скали и бавно ги разрушават – началото на почвата. Растат с милиметри на година. Много от тях са чувствителни към серния диоксид във въздуха, затова по разнообразието на лишеите по дърветата се съди колко чист е въздухът в един град.
12. Тренажор
Брой бактерии и поколения, време на генерация, броене на колонии, фаги и малария.
Колко поколения бактерии се сменят за 2 h при време на генерация 20 min?
13. Микробите в числа
🥛 Кисело мляко
В затоплено мляко има 1 милион млечнокисели бактерии в 1 ml. При 43 °C времето им на генерация е около 40 min. Колко милиона бактерии ще има в 1 ml след 4 h, ако храната не ги ограничава?
🥪 Сандвич на слънце
На сандвич има 100 бактерии салмонела. Оставен е 5 h при 30 °C, където салмонелата се дели на всеки 30 min. Колко хиляди бактерии ще има?
🧫 Колко бактерии има в пробата
От разреждане 10⁻⁶ са посети 0,1 ml и след денонощие са пораснали 156 колонии. Колко милиарда бактерии има в 1 ml от изходната проба?
🦟 Маларията се разгаря
След чернодробния стадий в кръвта на болния попадат 100 000 плазмодия. На всеки 48 h всеки паразит в еритроцит дава 16 нови. Колко милиона паразита ще има след 4 денонощия?
🦠 Фаговете се размножават
Един фаг заразява бактерия и след 30 min излизат 100 нови фага. Всеки от тях веднага заразява нова бактерия (бактериите са много). Колко фага ще има след 1,5 h?
🌱 Колко струва азотът
За да превърне една молекула N₂ в амоняк, нитрогеназата изразходва 16 АТФ. Колко мола АТФ са нужни на грудковите бактерии, за да свържат 1,4 kg азот (N)?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
14. ⚠️ Чести грешки
Вирус и бактерия
✗ Вирусите са много малки бактерии.
✓ Вирусите не са клетки: нямат рибозоми и обмен на веществата и се размножават само в чужда клетка.
Антибиотици срещу настинка
✗ Антибиотикът ще излекува грипа по-бързо.
✓ Антибиотиците действат само на бактерии. При вирусна инфекция само вредят на полезните бактерии и подбират устойчиви.
Удвояване
✗ За 2 h при g = 20 min бактериите стават 6 пъти повече.
✓ Шест поколения означават пъти повече, а не пъти.
Спора и ендоспора
✗ Бактериите се размножават със спори като гъбите.
✓ Една бактерия дава една ендоспора – тя служи за оцеляване, а не за размножаване.
Гъбите и растенията
✗ Гъбите са растения без хлорофил.
✓ Гъбите са отделно царство: хитинова стена, запас от гликоген, всмукване на храната. По-близки са до животните.
Броене на колонии
✗ Колкото повече колонии, толкова по-точно.
✓ Над около 300 колонии се сливат и броенето е неточно; под 30 случайността е голяма.
15. 🎯 Бърз тест
Защо антибиотиците не лекуват грип?
16. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
17. Обобщение
- ✓ Вирусите не са клетки: нуклеинова киселина в капсид, размножаване само в жива клетка; вироиди и приони са още по-прости
- ✓ Фагите имат литичен цикъл (лизис, около 100 нови фага) и лизогенен цикъл (профаг, индукция от UV)
- ✓ Бактериите: коки, бацили, вибриони, спирили; Грам-положителни (дебел пептидогликан) и Грам-отрицателни (външна мембрана)
- ✓ Бинарно делене: ; растежна крива – лаг, логаритмична, стационарна фаза и отмиране
- ✓ Броене: CFU/ml от петри с 30–300 колонии
- ✓ Конюгация, ендоспори, азотфиксация, патогени и полезни бактерии; археите – отделен домейн с много екстремофили
- ✓ Антибиотиците действат на бактериални структури (стена, 70S рибозоми) и не помагат срещу вируси
- ✓ Протисти – сборна група: водорасли, амеба, чехълче, еуглена, плазмодий (малария)
- ✓ Гъби: хитин, гликоген, хифи и мицел, спори; дрожди, плесени, , микориза; лишеите са гъба + водорасло
💡 Интересен факт
Не всички бактерии са микроскопични. През 2022 г. в мангровите блата на Гваделупа е описана бактерията Thiomargarita magnifica – тънка бяла нишка, дълга до около 2 cm, която се вижда с просто око. Тя е хиляди пъти по-дълга от E. coli, а ДНК ѝ е затворена в мембранни торбички – нещо, което дотогава се е смятало за привилегия на еукариотите.