МОРФОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

С.Н. Виноградский

Смотрите также:

Биография Виноградского

Микробиология

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Геоботаника

 Биографии биологов, почвоведов

Эволюция

Биология

Эволюция биосферы

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

О ПЛЕОМОРФИЗМЕ БАКТЕРИЙ

Статья Мечникова, помещенная в «Annates de PInstitut Pasteur» (3r стр. 61), заставила меня еще раз высказаться по вопросу о плеоморфизме бактерий, уже неоднократно обсуждавшемуся в бактериологической литературе.

Мечников — сторонник учения о плеоморфизме. В кратком историческом обзоре он говорит о том, как оно медленно, но прочно отвоевывает позиции и в настоящее время господствует в морфологии бактерий. Даже наиболее убежденные противники этой теории должны поступиться в ее пользу. И только я упоминаюсь в этой статье как единственный непримиримый враг учения о плеоморфизме, справедливость которого в большей или меньшей степени признается большинством бактериологов.

Я не думаю, чтоб я был так уж одинок. Наоборот, я полагаю, что теории Негели и Цопфа должны стушеваться перед точными исследованиями, и что они почти полностью потеряли свой смысл при современном положений науки. Я попытаюсь показать это в историческом обзоре, который я начну с самого возникновения вопроса.

В истории этого вопроса я вижу две фазы или периода довольно отчетливых. Полный раскол мнений произошел непосредственно вслед за опубликованием хорошо известных статей Кона. Появились две школы, которые придерживались двух диаметрально противоположных учений. В 1875 г. Кон формулировал эти учения следующим образом: «Я думаю, что в семействе бактерий следует различать большое число родов и видов; но я не могу не указать на то, что чрезвычайно трудно отличать отклонения, возникающие под влиянием изменившихся условий питания или каких-либо других условий существования, от постоянных, природных, наследуемых свойств; только последними и можно руководствоваться при определении вида. Я думаю все же, что предложенная мною систематика должна рассматриваться как естественная классификация. Целесообразность деления бактерий по родам и видам оспаривается теми, кто считает что бактерии представлены одной единственной формой, которая принимает чрезвычайно разнообразные очертания в процессе своего развития и, в особенности, при изменении условий существования...»2.

Негели и его школа пошли еще дальше: они категорически заявили о том, что изменчива не только форма, но и физиологическая функция. Но их мнению, у бактерий ничто не поддается систематизации. Изучать их морфологию бесполезно и всякая попытка классифицировать их почти наивна. Все бактерии, говорит Негели,— это только короткие клетки, та подвижные, то неподвижные. «Эти клетки, в зависимости от условий существования, могут вызывать всевозможного рода брожения и инфекционные заболевания».

Теория Негели в этом отношении уже тогда расходилась с опытами и идеями Пастера, который полагал, что то или иное типичное брожение вызывается специфическим ферментом (микроорганизмом). Что касается морфологии, то теория Негели очень скоро оказалась мало обоснованной. Кон, Кох, ван Тигем, Пражмовский и другие ознакомили нас с формами, которые хотя и обладали несложным циклом развития, однако различались между собою достаточно характерными морфологическими свойствами и могли быть выделены в отдельные роды и виды на основании постоянных присущих им признаков, установленных в процессе их развития.

Теория Негели имела лишь мимолетный успех; расхождение мнений, столь полное вначале, очень сгладилось.

Вопрос вступил тогда во вторую фазу. Теория Цопфа заменила теорию Негели. Цопф уже видел в бактериях не только «короткие клетки»; он допускал возможность разделения на виды на основе морфологических признаков; он даже различал большое число видов. Таким образом, новая теория плеоморфизма разделяла основные идеи Кона; если Цопф и не признавал этого, то со стороны это было вполне ясно.

Цопф нападал только на группирование, на разграничение родов в классификации Кона. Однако главное достоинство этой классификации бесспорно заключалось в идеях, выражением которых она и являлась. Что касается самих подразделений (группировок), то они могли быть намечены только предварительно, так как наука об этих организмах находилась еще в самом начале своего развития. Но Цопф стал на сторону Негели. Он силился противопоставить свою точку зрения точке зрения Кона и едва ли разумно выпятил пункты их расхождения. Теория постоянства бактериальных форм Кона, говорит Цопф, имеет только исторический интерес; она должна уступить место теории генетической связи бактериальных форм .

Посмотрим, обоснована ли эта новая теория надежнее, чем старая.

Цопф наблюдал у некоторых видов бактерий стадии развития, напоминающие формы, которые характеризуют род, согласно Кону. Отсюда он сделал вывод, что эти роды представляют собой стадии развития — формы роста полиморфных видов. Но он не доказал, что такой более сложный процесс развития является общим законом в мире бактерий. Если он составляет исключение, то он нисколько не опровергает предварительную классификацию Кона, потому что исключения всегда имеются; есть виды, которые трудно классифицировать по какой бы то ни было классификации, даже признанной совершенной. И действительно, Цопфу были неизвестны в отношении громадного большинства бактерий явления, подобные тем, которые наблюдаются при развитии Cladothrix и Beggiatoa; он удовольствовался лишь допущением, что эти явления еще не известны, и это препятствие не помешало ему обобщить свои результаты.

Теория Цопфа представляет собою, очевидно, только гипотезу, опирающуюся на немногие факты; эту гипотезу «генетических взаимоотношений», т. е. сложного развития бактериальных видов, он дополнил другой гипотезой — «изменчивостью в зависимости от среды». Превращение одной бактериальной формы в другую, говорит он, зависит вообще, как это допускал еще Йегели, от условий питания. Это последнее предположение связывало две теории плеоморфистов в единое целое, но оно не опиралось на экспериментальные данные.

Что следует понимать под постоянством формы и под изменчивостью? В какой мере живое существо обладает способностью сохранять свою постоянную форму и где пределы, за которыми начинается его изменчивость? Следует сначала условиться, какой смысл заключается в этих словах. В свое время это не было сделано и вследствие этого возникла полемика, основанная на недоразумениях. Одни слову постоянный придавали то значение, которое оно имеет в геометрии, и требовали, например, чтобы круглая бактериальная клетка всегда сохраняла свою форму; ойи не думали о том, что такое постоянство присуще только неживым телам. Другие понимали его скорее в физиологическом значении слова. В результате этого один и тот же вид рассматривался одними как полиморфный, другими как мономорфный.

Рискуя говорить общеизвестные вещи, я должен все же кратко остановиться на этих терминах — морфологическое постоянство и изменчивость или плеоморфизм — и постараться дать им более точное определение.

Что форма меняется с развитием, которое есть непрерывный ряд форм,— это очевидно само собою. Все живые организмы — высшие или низшие — проходят свой путь развития: единственное постоянное морфологическое свойство — это развитие.

Так, например, мы считаем, что громадное большинство высших организмов характеризуется постоянной формой, хотя они проходят через длинный ряд форм от яйца до зрелого возраста. Единственное возможное логическое определение постоянства, очевидно, следующее: какой-либо вид является постоянным, если в процессе своего развития он проходит всегда через один и тот же последовательный ряд форм, всегда одних и тех же, не считая незначительных индивидуальных отклонений.

Но морфологическая природа вида может проявляться только в благоприятных для него условиях существования; если в неблагоприятных условиях, вредных для него, не прекращается рост или образование органов, предназначенных для сохранения, то рост затрудняется и сопровождается патологическими явлениями, которые и нужно называть своим именем, не приписывая виду изменчивости.

Наряду с видами, отличающимися закономерным и постоянным характером развития, известны и другие, развитие которых впезапно в корне меняется под влиянием сцецифических условий. Новые развившиеся формы ни в коем случае нельзя считать дегенеративными, так как они служат Для сохранения и для размножения вида в течение неопределенно долгого времени. Эти изменения могут быть более или менее глубокими, но они обладают одним общим свойством — они исчезают и уступают место прежним формам, как только прекращается специфическое воздействие, вызвавшее их. Можно было бы привести большое количество примеров, в частности, Mucor racemosus. На поверхности твердых питательных субстратов он дает рост в виде мицелия, но стоит только погрузить его в СахаРный раствор, как он тотчас же начинает почковаться. Именно За такого рода организмами следовало бы сохранить название п л е о- м°рфный.

После этого отступления нетрудно ясно сформулировать вопросы:

1.         Можно ли считать группы Кона (Micrococcus, Bacillus и т. д.) натуральными, естественными, т. е. развиваются ли виды так просто, как полагал это ученый, или их развитие сложнее и они проходят ряд различных стадий?

2.         Всегда ли изменяется под влиянием внешних воздействий развитие- бактерий, будь оно простым или сложным? Является ли плеоморфизм правилом или исключением?

Я не отрицаю необходимости тех незначительных изменений в системе Кона, которых требует быстрое развитие наших знаний об этих организмах. Они, несомненно, еще не являются окончательными; единственно, что важно знать,— подтверждают ли эти новые данные основную идею классификации, что развитие бактериальных видов происходит чрезвычайно просто? Ответ может быть только положительным.

Правильность этого утверждения лучше всего доказывают результаты сравнения двух классификаций, приведенных в «Основах бактериологии» Цопфа в издании 1883 г. и в издании 1886 г.

В издании 1883 г. утверждается, что плеоморфизм является общим правилом; все, что кажется исключением, еще «недостаточно изучено»» Бактерии делятся на четыре группы: кокки, бактерии, лептотриксы и кладотриксы. Группа кокков с одной «единственно известной формой в виде кокка» состоит из одного единственного вида — Leuconostoc mesente- roides\ группа бактерий включает два вида — Bacterium и Clostridium. Род Spirillum и род Vibrio из группы Spirobacteria Кона изъяты, так как они, согласно автору, являются только стадиями развития лептотриксов и кладотриксов.

В классификации 1886 г. эти две последние группы, содержащие небольшое количество видов, остались без изменения; все другие были совершенно изменены. Цопф, повидимому, не надеялся, чтобы его идеи были подтверждены фактами, и это заставило его изменить свою классификацию.

Группа кокков состоит теперь из пяти родов со многими видами: Streptococcus, Мerismopedia, Sarcina, Micrococcus, Ascococcus; эта группа не отличается по своему характеру от группы Sphaerobacteria Кона; она только содержит большее число родов и видов. Группу бактерий автор характеризует следующим образом: «чаще всего они представлены формами кокка, короткой палочки, длинной палочки и нити; кокки могут отсутствовать; нити прямые или закрученные спиралью». Эта характеристика вполне отвечает характеристике двух групп Кона — Desmobacteria и Spirobacteria вместе взятых, с тою только разницей, что Цопф прибавил к ней «формы кокков». Но эти кокки не то же, что называют обычно Micrococcus. Цопф применяет слово кокк, например, к артроспорам, к изо- диаметрическим частям нитей после деления и пр.

Более того, группа содержит на этот раз 6 родов: Bacterium, Spirillum, Vibrio, Leuconostoc, Bacillus и Clostridium. Итак, воскресли все роды Кона, не исключая спирилл. Они, правда, иначе сгруппированы, характеристика их также несколько изменена, но, несмотря на это, нельзя не заметить почти полного тождества классификаций. Из этого следует, что учение о плеоморфизме снова отступило на задний план.

Число плеоморфных бактерий, таким образом, определенно сократилось до нескольких видов, входящих в группы лептотриксов и кладотриксов: Beggiatoa alba, Beggiatoa roseo-persicina и Cladothrix dichotoma. Что Wapaflwa »TWY последних микроорганизмов, то здесь я нахожусь уже в области своих исследований и остановлюсь на них дольше, так как изучение их морфологии поучительно со многих точек зрения.

Эти многочисленные организмы, главным образом розовые формы, с давних пор известны под именем Clathrocystis roseopersicina, Monas okenii и пр.; они исследовались Коном, Рей-Ланкестером, Вармингом и Цоп- фом. Кон1 занимался преимущественно изучением их физиологии, но все, что он говорит об их морфологии, согласуется с его взглядами о постоянстве форм при развитии бактерий. Совсем иначе ставится вопрос в статьях Рей-Ланкестера2, одна из которых появилась до работы Кона, другая после. Рей-Ланкестер нашел в сосуде, где производилась мацерация, массу красных форм с включениями темных гранул; все «переходные» стадии между различными формами были обильно представлены ими. Их генетическое родство не возбуждало никакого сомнения — оно «бросалось в глаза». Во всяком случае, «наиболее простая гипотеза» и нашла, повидимому, свое выражение в объединении всех этих форм под одним специфическим названием. Так образовался изменчивый вид — Bacterium rubescens, все же остальные пурпурные бактерии являются только фазами его роста.

Варминг3 находил такие организмы у берегов Дании. Он был так поражен сходством их между собою (цвет и гранулы), большим количеством переходных форм и последовательной, иногда закономерной, сменой форм в одном и том же месте в течение вегетационного периода, что решил объединить некоторые формы под названием Bacterium sulfuratum. В результате своих исследований он высказывает сомнение относительно самостоятельности видов, установленных Коном, и приходит к следующему заключению: «Бактерии, действительно, обладают „безграничной пластичностью" и я полагаю, что следует отказаться от классификации Кона и некоторых других авторов, которые характеризуют роды и виды по их форме».

Цопф подтвердил результаты предыдущих исследований; он изучал эти организмы более тщательно и систематизировал их. Он упразднил все виды пурпурных и бесцветных микроорганизмов," установленные Коном и другими учеными: все серобактерии представляли собою только стадии роста двух нитчатых бактерий — Beggiatoa alba и Beg. roseo-persicina. Эти плеоморфные виды способны принимать все формы, 'характеризующие роды Кона, не только изменяя свою величину, но и меняя характер роста. Так, например, сферическая клетка — кокк — может перестать делиться и вытянуться в нить, или вытянуться и начать делиться в двух или трех перпендикулярных направлениях, образуя таким образом плоские или объемистые семейства или же производить прекрасные одноклеточные подвижные формы и т. д. Все эти фазы возникают исключительно в зависимости от условий существования. Этими же условиями определяется их последовательность. Таким образом, имеет место истинный плеомор- физм с более сложным циклом развития, чем у всех родов Кона, вместе взятых. Какими же воздействиями вызывается появление тех или иных стадий? Цопф ничего не говорит об этом, но высказывает намерение сообщить позднее о «точных химических условиях всех этих морфологических явлений» (цит. соч., стр. 34).

Это сообщение заставило себя ждать. Лишь через три года после опубликования упомянутой статьи Цопфа я приступил к морфологическому исследованию этих организмов, для того чтобы выяснить, существует ли предполагаемая зависимость между их развитием и составом среды. Для изучения их морфологии, несомненно, требовалось знать, как они питаются. Цопф ничего не говорит об этом и это необходимо было установить,, чего я и достиг в результате длительного исследования.

Смесь различных форм серобактерий не удалось разделить; поэтому получить совершенно чистую культуру оказалось невозможным. Но мне удались заставить развиваться большинство из них неделями и месяцами в микрокультуре в капле сероводородной воды под покровным стеклом, при условии частой смены жидкости. Эти формы сами облегчили наблюдения, так как они закреплялись на покровном и на предметном стеклах, что позволяло промывать клетки в токе воды, не увлекая их течением.

Многие виды, насколько было возможно, я разделял или же наблюдал их в той же микрокультуре, стараясь не терять из вида особи, выбранные для длительного наблюдения. Обычно они медленно растут. Для того чтобы не упустить из вида их развитие, достаточно было наблюдать рост два раза в день — утром и вечером. Таким образом мне удавалось непрерывно, неделями и месяцами следить за полным циклом развития отдельных клеток или групп клеток и колоний.

Уже первые наблюдения показали, что процветающие нормальные культуры этих организмов не имеют ничего общего со сложным циклом развития, описанным Цопфом. Обильный рост связан с использованием для их культивирования воды, содержащей сероводород; на других средах развитие их тотчас же останавливается и они гибнут. Все это заставляло крайне сомневаться в их пластичности и изменчивости.

Если различные стадии развития предположительно плеоморфного вида объясняются воздействием различных условий (согласно Цопфу)г то в сходных условиях должно, несомненно, наблюдаться однообразие форм. Но если, напротив, микроорганизмы сохраняют свои специфические особенности в одной и той же среде, в той же капле, в том же поле зрения микроскопа, тогда они должны рассматриваться как самостоятельные виды.

Таким образом, можно не утруждать себя бесплодными поисками и ограничиться культивированием форм, предположительно генетически связанных, в условиях, соответствующих потребностям их питания. Однако эти условия должны быть для всех одни и те же. Этого правила я и придерживался в своей работе. В результате исследований мне удалось выяснить, что один или два плеоморфных вида, описанных авторами, представляли собой смесь видов, совсем не плеоморфных. Beggiatoa alba и Beggiatoa roseo-persicina — виды, созданные Цопфом,— представляют собой в действительности две группы самостоятельных организмов. Первая группа состоит из бесцветных серобактерий; из этой группы я исс ледова л два рода и несколько видов; вторая состоит из серобатерий, окрашенных в различные оттенки розового и красного цветов; я установил предварительно двенадцать родов, включающих двадцать два вида. Что касается бесцветных серобактерий, то заблуждение Цопфа частично объясняется тем, что он не мог отличить настоящей Beggiatoa от другой нитчатой серобактерии из рода Thiothrix. Кроме того, некоторые явления вырождения истолковывались как явления размножения, образования зооглей и пр. Морфология вида Beggiatoa стала, таким образом, сложной. На самом же деле — она одна из наиболее простых. Нити всегда гибкие, подвижные,, состоят из цилиндрических клеток и не покрыты слизистыми влагалищами; в состоянии подвижности ползают по поверхности твердых предметов.

Я культивировал несколько видов, различающихся только толщиной нитей; но я не замечтал, чтобы нити утолщались или становились тоньше. Их следует, таким образом, классифицировать как самостоятельные виды.

По своим свойствам новый род Thiothrix сильно отличается от Beggiatoa. Нити неподвижные и негибкие; различается верхний и нижний конец; книзу они несколько утолщаются и прикрепляются к твердым предметам посредством слизистой подушечки. Размножаются путем образования подвижных гонидий, которые отделяются от нитей и медленно отползают наподобие диатомей. Таким образом, эти организмы по структуре нитей и по образованию подвижных палочковидных гонидий приближаются к Cladothrix.

Две описанные серобактерии избирают различные места обитания: в то время как белая пленка (барежина), встречающаяся в сероводородных водах, имеющих илистое дно, состоит почти исключительно из нитей Beggiatoa, быстро текущие сероводородные источники с каменистым ложем (какие встречаются в Швейцарии) населены различными видами Thiothrix, прекрасно приспособленными к этим условиям. Все гальки покрыты как бы белым плюшем, сотканным из пучков и султанов этих бактерий.

Изучение пурпурных серобактерий представило гораздо большие трудности. Пришлось встретиться с массой форм и есть только один метод, позволяющий разобраться в этой смеси. Для этого нужно наметить объекты исследования — отдельные клетки или группы клеток и следить за их развитием, не теряя из вида ни на один день. В этих наблюдениях испы- тывается терпение исследователя.

Среди пурпурный серобактерий различаются две группы — одна, близкая к Chroococcaceae, другая — к Flagellatae.

Виды первой группы образуют колонии, состоящие из круглых или удлиненных клеток, напоминающих по характеру роста водоросли: Chroococcus, Мerismopedia, Clathrocystis, Polycystis, Aphanothece и др. Их колонии отличаются друг от друга по способу группировки клеток, по способу деления, по отсутствию или по наличию слизистой капсулы, более или менее развитой. Все виды, за немногими исключениями, образуют стадии подвижности — свободные клетки или небольшие семейства, плавающие в жидкости или ползающие по поверхности твердых тел. Виды характеризуются простым, постоянным циклом развития.

Возьмем для примера род Thiocystis. Шаровидные клетки сгруппированы в небольшие семейства неправильной формы, заключенные в общую слизистую капсулу; все вместе образует сферическую колонию; клетки Делятся в трех направлениях в пространстве, но не разъединяются, а маленькая группа целиком отделяется от другой внутри общей слизистой капсулы. Когда колония, состоящая из небольших семейств, заключенных в слизистую капсулу, достигает определенного объема, слизь местами разжижается, что дает возможность подвижным семействам Довольно свободно выйти из капсулы. Затем они прикрепляются, покрываются капсулой и снова проходят тот же цикл развития.

У Других видов колонии в зрелом возрасте представляются полыми шарами со стенками из одного слоя клеток (Lamprocystis), или сетью, сплетенной из веретенообразных клеток, прилегающих одна к другой концами (Thiodyction), или бесформенными скоплениями, передвигающимися путем амебоидных движений (Amoebobacter); возможно, что в этих скоплениях клетки соединены протоплазматическими нитями и т. д. Но во всех случаях процесс развития сходный: сначала образуется колония или зооглея, которая распадается затем на отдельные клетки или на мелкие подвижные семейства, рассеивающиеся в дальнейшем.

Совсем иными свойствами характеризуются роды Chromatium, Rhabdo- chromatium у Thiospirillum, красные монады Эренберга и Кона. Их клетки всегда свободны; они размножаются только делением; они снабжены одним жгутиком и сохраняют подвижность или способность к движению в течение всей своей жизни. Иногда стадия подвижности чередуется со стадией покоя, без всякой видимой закономерности, что зависит от условий среды. Существует очень много видов Chromatium, которые чрезвычайно распространены в водах, богатых H2S.

Наши исследования показали, как мы полагаем, что новая теория плеоморфизма возникла в результате исследований, основанных на неполноценной методике. Это произошло потому, что не пошли тем единственным путем, который гарантирует надежные результаты при морфологических исследованиях низших организмов,— я говорю о прямом длительном наблюдении над процессом развития фаз. Длительный опыт микологии, переживавшей периоды расцвета экстравагантных теорий плеоморфизма, достаточно говорит нам об этом. Настоящая работа показывает лишний раз количество и разнообразие причин ошибок в случаях, когда толкование наблюдаемых явлений кажется исследователю ясным a priori.

Именно эти методические принципы не позволяют мне признать безоговорочно результаты исследования Мечникова над бактериями, встречающимися у дафний (Spirobacillus cienkovskii).

В заключение я хотел бы еще раз повторить свое мнение, высказанное в начале этой статьи, а именно: до настоящего времени не было открыто ни одного случая плеоморфизма у бактерий, бесспорно установленного, само собой разумеется. Но я должен добавить, что нет никаких оснований утверждать, что такие случаи не могут быть обнаружены в дальнейшем. Когда они будут открыты, то плеоморфным бактериям отведут свое место в классификации, как оно отведено уже по праву плеоморфным грибам и плеоморфным водорослям; но учение о плеоморфизме бактерий в целом уже не воскреснет.

К содержанию книги: Сергей Николаевич ВИНОГРАДСКИЙ - МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ