Классификация - отнесение конкретного биологического объекта к определенной группе однородности (таксону) по совокупности присущих ему признаков. Отношения между таксонами организмов изучает систематика, которая включает три части: классификацию, таксономию и идентификацию.
Идентификация – устанавливает принадлежность микроорганизмов к определенному таксону на основании наличия определенных признаков. В большинстве случаев идентификация заключается в определении видовой и родовой принадлежности микроорганизмов.
В основу таксономии микроорганизмов положены их морфологические, физиологические, биохимические и молекулярно-биологические свойства.
Таксоны — группы организмов, объединенные по определенным однородным свойствам.
Микроорганизмы представлены доклеточными формами и клеточными формами.
Различают 4 домена:
1)домен «Bacteria»
2)домен «Virus»
3)домен «Archaea»
4)домен «Eukarya»
Иерархия таксонов:
домен – филум – класс – порядок – семейство – род – вид
Доме́н, или надцарство — в биологической систематике самый верхний уровень группировки организмов в системе, включающий в себя одно или несколько царств.
Порядок - систематическая категория (ранг), объединяющая родственные семьи.
Вид — это совокупность особей, объединенных по близким свойствам, но отличающихся от других представителей рода.
Более подробная характеристика каждого домена представлена в следующих подпунктах.
1.2.1. Бактерии
Bacteria (Бактерии). Они являются одноклеточными организмами с простой структурой и ДНК в цитоплазме. Бактерии могут обитать в разных средах, включая почву, воду, кишечник человека и даже экстремальные условия, такие как горячие и холодные источники.
Многие бактерии способны к самостоятельному движению за счет жгутиков или благодаря сокращению клеток.
Размножение бактерий происходит очень быстро, каждые 20 — 30 мин. Обычно это деление клетки надвое, которое наступает после удвоения бактериальной хромосомы — кольцевидной молекулы ДНК; некоторые бактерии размножаются почкованием. Половой процесс (например, у кишечной палочки) осуществляется в форме обмена генетическим материалом между особями. В неблагоприятных условиях бактерии способны образовывать споры за счет формирования плотной оболочки вокруг молекулы ДНК с участком цитоплазмы. Споры отличаются исключительной устойчивостью к различным неблагоприятным воздействиям. В подходящих условиях споры на бухают, оболочки разрываются и клетки переходят к активному функционированию.
Паразитизм у бактерий широко распространен. Многие бактерии являются возбудителями болезней, разрушая клетки хозяина, другие вызывают заболевания, выделяя токсические вещества. К числу паразитических бактерий, вызывающих заболевания человека, относят холерный вибрион, дифтерийную палочку, дизентерийную палочку и др.
Для уничтожения и ослабления жизнедеятельности бактерий проводят дезинфекции (например, раствором карболовой кислоты, формалина, спирта и др.) или стерилизации высокой температурой (до 120 °С), а также пастеризацию, когда пищевые продукты несколько раз нагревают до 60 — 70 °C. В медицине применяют различные препараты (антибиотики и др.), в присутствии которых бактерии погибают или значительно снижают жизнедеятельность.
Бактерии делятся на анаэробов, живущих в бескислородной среде, и аэробов, живущих в среде с присутствием кислорода; факультативные анаэробы способны жить в кислородной и бескислородной среде.
Спорообразующие бактерии аэробные и факультативно-анаэробные- бациллы, анаэробные- клостридии.
Помимо истинных бактерии имеются и другие более или менее отличающиеся от них. Это актиномицеты, нитчатые бактерии, спирохеты, риккетсии, микоплазмы, миксобактерии.
Актиномицеты
Актиномициты или лучистые грибы- это одноклеочные организмы, Имеющий вид небольших или длинных разветвленных тонких несептированных нитей. На конце некотрых актиномицетов образуются одна или несколько экзоспор, являющиеся органами плодоношения. Оформленного ядра у них нет . Мицелевидные формы размножаются спорами, развивающимися на воздушных ветвях мицелия, что сближает их с грибами. Немицелевидные формы размножаются делением и перешнурованием клеток. Актиномицеты широко распространены в природе, встречаются они также на пищевых продуктах, вызывая их порчу. Многие актиномицеты вырабатывают антибиотики. Есть среди них и патогенные формы (туберкулезные и дифтерийные бактерии)
Нитчатые бактерии
Эти бактерии представляют собой длинные нити диаметром от 1 до 7 мкм, состоящие из коротких цилиндрических клеток. Каждая нить окружена тонкой слизистой оболочкой. Размножаются эти бактерии с помощью особых клеток-гонидий, которые развиваются из концевых клеток нитей. Гонидии могут подвижными (со жгутиками).
Нитчатые бактерии обитают преимущественно в воде, встречаются и в почве.
Спирохеты
Спирохеты представляют собой гибкие спирально извитые клетки различной длины. Дифференцированное ядро и присущая истинным батериям оболочка отсутствует. Клетки покрыты тонокой цитоплазматической мембраной. Они подвижны, передвигаются волнообразным сокращением тела. Спор не образуют. Размножаются делением. Некотрые спирохеты вызывают заболевания человека (возвратный тиф, сифилис). Спирохеты занимают промежуточное положение между истинными спиральными бактериями и протистами.
Риккетсии
Риккетсии- это мелкие, длиной не более 1 мкм, неподвижные бактериоподобные организмы, видимые в световой микроскоп. Они сочетают признаки истинных бактерий и вирусов и занимают промежуточное положение между ними. Форма риккетстй разнообразна: округлые, палочковидные; одиночные, соединенные попарно или короткие цепочки. В клетках обнаруживаются зернистые включения хроматиновой природы. Риккетсии- внутриклеточные паразиты, в искусственных питальных средах они не растут. Заболевания человека и животных, вызываемые риккетсиями, называются риккетсиозами (спной тиф, ку-лихорадка).
Миксобактерии
Миксобактерии имеют палочковидную и вертенообразную форму. Они способны к образованию больших количеств слизи. Клеточная оболочка отсутствует. Размножаются делением или перешнурованием клетки. Некотрые в неблагоприятных условиях превращаются в покоющую стадию- в цисты. Микособактерии живут в почве, на различных растительных остатках.
1.2.2. Вирусы
Virus (Вирусы): Вирусы не считаются живыми организмами, так как они не обладают собственной метаболической активностью и могут размножаться только внутри клеток других организмов.
Вирусы были обнаружены в 1892 г. русским ученым Д.И. Ивановским. В 1917 г. француз Ф.Д'Эрель открыл бактериофаг — вирус, поражающий бактерии. Вирусы представляют собой простейшую форму жизни на Земле, занимающую пограничное положение между неживой и живой материей. Они могут проявлять свойства живых организмов только попав в клетки прокариот и эукариот. Они являются внутриклеточными паразитами; способность к размножению и связанные с ней наследственность и изменчивость вирусы проявляют лишь в живой клетке хозяина.
Особенности вирусов:
- незначительных размерах (20 — 2000 нм),
- отсутствии клеточного строения,
- обмена веществ и энергии.
Но самым характерным критерием является наличие у вирусов только одной нуклеиновой кислоты — РНК или ДНК (у остальных организмов всегда имеются и ДНК, и РНК). Вирусы самостоятельно не способны синтезировать белки. Способ размножения вирусов значительно отличается от размножения других организмов. Вирусы не растут.
Классификация по формам:
- Покоящейся (внеклеточной), когда их свойства как живых систем не проявляются,
- Внутриклеточной, где может осуществляться процесс размножения вирусов.
Простая вирусная частица(например, вирус табачной мозаики (рис.3.)) состоит из образованной белками оболочки — капсида — и нуклеиновой кислоты.
Некоторые более сложные вирусы (гриппа, герпеса и др.(рис. 3.)) помимо белков капсида и нуклеиновой кислоты могут содержать липопротеиновую мембрану, углеводы и ряд ферментов. Белки защищают нуклеиновую кислоту и обусловливают ферментативные и антигенные свойства вирусов. Форма капсида может быть палочковидной, нитевидной, сферической и др.
Различают два вида вирусов:
- РНК-содержащие
- ДНК-содержащие.
Но независимо от того, какая из нуклеиновых кислот содержится в вирусе, она выполняет функции носителя наследственной информации. Объем генетической информации вируса может быть очень мал, например у самых малых вирусов он состоит из 3500 нуклеотидов. Такой объем нуклеиновой кислоты способен обеспечить синтез лишь нескольких белков, обычно белков капсида вируса. Геном вирусов бывает представлен многообразными линейными и кольцевидными формами нуклеиновых кислот; наряду с двухцепочечными ДНК (вирусы оспы, аденовирусы человека и др.) и одноцепочечными РНК (вирусы кори, краснухи, энцефалита, гриппа, бешенства и др.) встречаются одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК, служащие матрицами у некоторых вирусов животных и растений.
Все активные процессы вирусов протекают в клетках-хозяевах.Проникновение вирусов в клетку начинается с их абсорбции на клеточной поверхности благодаря связыванию белков-рецепторов клеточной оболочки со специальными белками вирусной частицы, которые узнают соответствующий рецептор на поверхности чувствительной клетки. Полагают, что в животную клетку вирус может проникать при процессах пиноцитоза и фагоцитоза, в растительную клетку: — при различных повреждениях клеточной стенки.
Бактериофаги,
как правило, не попадают внутрь клетки, так как толстые клеточные стенки бактерий препятствуют проникновению комплекса белок — рецептор с присоединившейся к нему вирусной частицей. Бактериофаг состоит из головки (белковая оболочка и заключенная в ней ДНК или РНК) и отростка. В отростке различают полный стержень, окруженный чехлом из сократительных белков. На конце стержня имеется пластинка с шипами и нитями, от которых зависит специфическая абсорбции бактериофага на клетке-хозяине. После присоединения к клеточной поверхности чехол отростка бактериофага сокращается, обнажая стержень, проникающий через клеточную стенку, и нуклеиновая кислота проникает в клетку.
Вирусный геном изменяет обмен веществ клетки, направляя всю её деятельность на производство вирусной нуклеиновой кислоты и вирусных белков. Новые молекулы вирусной нуклеиновой кислоты соединяются с вновь синтезированными белками (самосборка вирусных частиц), в результате чего образуются вирусы, которые затем выходят из клетки-хозяина.
Биологическое значение вирусов в первую очередь связывается с их патогенным действием, т.е. способностью вызывать различные заболевания у человека, животных и растений. Сегодня специалисты насчитывают не менее 500 различных болезней человека, в которых в той или иной мере повинен вирус. Среди них такие тяжелые заболевания, как бешенство, натуральная оспа, желтая лихорадка, энцефалиты, инфекционные гепатиты, многие злокачественные опухоли, СПИД, корь и т.д. Помимо того, вирусы способны оказывать влияние на генетический аппарат клетки, вызывая генные мутации.
1.2.3. Археи
Archaea (Археи близки к бактериям).
Археи представляют собой одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, а также каких-либо мембранных органелл.
Ранее археи объединяли с бактериями в общую группу, называемую прокариоты, и они назывались архебактерии, однако сейчас такая классификация считается устаревшей(рис. 3): установлено, что археи имеют свою независимую эволюционную историю и характеризуются многими биохимическими особенностями, отличающими их от других форм жизни. Сейчас археи подразделяются на более чем пять типов. Из них наиболее изучены кренархеоты (лат. Crenarchaeota) и эвриархеоты (лат. Euryarchaeota).
Классифицировать археи по-прежнему сложно, так как подавляющее большинство из них никогда не выращивались в лабораторных условиях и идентифицировались только по анализу нуклеиновых кислот из проб, полученных из мест их обитания.
Другие аспекты биохимии архей уникальны, к примеру, присутствие в клеточных мембранах липидов, содержащих простую эфирную связь. Большая часть архей — хемоавтотрофы. Они используют значительно больше источников энергии, чем эукариоты: начиная от обыкновенных органических соединений, таких как сахара, и заканчивая аммиаком, ионами металлов и даже водородом.
Солеустойчивые археи — галоархеи (лат. Haloarchaea) — используют в качестве источника энергии солнечный свет, другие виды архей фиксируют углерод, однако, в отличие от растений и цианобактерий (синезелёных водорослей), ни один вид архей не делает и то, и другое одновременно.
Изначально архей считали экстремофилами, живущими в суровых условиях — горячих источниках, солёных озёрах, однако потом их нашли в различных местах, включая почву, океаны, болота и толстую кишку человека. Архей особенно много в океанах, и, возможно, планктонные археи — самая многочисленная группа ныне живущих организмов. Археи признаны важной составляющей жизни на Земле. Они играют роль в круговоротах углерода и азота.
Ни один из известных представителей архей не является ни паразитом (за исключением наноархеот, являющихся паразитами других архей), ни патогенным организмом, однако они часто бывают мутуалистами и комменсалами. Некоторые представители являются метаногенами (рис. 4) и обитают в пищеварительном тракте человека и жвачных, где они помогают осуществлять пищеварение.
Метаногены используются в производстве биогаза и при очистке канализационных сточных вод, а ферменты экстремофильных микроорганизмов, сохраняющие активность при высоких температурах и в контакте с органическими растворителями, находят своё применение в биотехнологии.
1.2.4. Простейшие эукариоты
Eukaryota (Простейшие эукариоты).
Простейшие организмы являются одноклеточными эукариотами, имеющими микроскопические размеры, не различимые невооруженным глазом. Тех простейших, что способны к фотосинтезу, относят к одноклеточным растениям, тех же, что питаются гетеротрофно, относят к животным. В зависимости от образа жизни и питания, различаются формы тел простейших. Некоторые простейшие организмы имеют раковины или причудливые выросты клеточной стенки.
Обитают простейшие организмы обычно во влажной среде – водоемах, почве. Паразитические простейшие используют в качестве среды обитания многоклеточные живые организмы, в том числе и человека.
Размножаются простейшие так же разнообразно, как питаются. Они могут просто делиться на две или более частей, могут почковаться. У них присутствует и половое размножение – две клетки встречаются и обмениваются генетической информацией.
Среди простейших много паразитов, в том числе опасных для человека. Однако польза от этих созданий несоизмеримо больше, чем вред от них. Поедая бактерий и гниющие останки, они выполняют важную санитарную функцию, очищая водоемы и почву, регулируют количество бактериальной биомассы на земле. Раковины фораминифер, радиолярий и кокколитов образуют залежи известковых и кремниевых пород. Обнаружение этих останков часто помогает определить возраст пород – фораминиферы остались неизменными с каменноугольного периода.
Простейшие организмы – основные и незаменимые участники любого биоценоза. Они служат источником пищи для многих животных – например, криля в морях, служащего, в свою очередь, единственным источником пищи для животных, обитающих в полярных регионах. Одноклеточные водоросли обогащают воды кислородом, что обеспечивает жизнь морских животных.
По видам и количеству простейших в водоемах обычно оценивают степень загрязненности.
Простейших еще недавно рассматривали как один тип животного мира. В настоящее время, установлено, что в пределах подцарства Protozoa существуют разные планы строения. Поэтому в современной систематике простейших разделяют на 5 самостоятельных типов:
- Тип Саркомастигофоры (Sarcomastigophora)
- Тип Споровики (Sporozoa).
- Тип Книдоспоридии (Cnidosporidia)
- Тип Микроспоридии (Microsporidia)
- Тип Инфузории, или ресничные (Ciliоphora)
К саркожгутиконосцам (Sarcomastigophora) (рис.6.) относятся свободноживущие или паразитические простейшие, органоидами движения которых служат непостоянные выросты цитоплазмы – ложные ножки или бичевидные выросты – жгутики. Тип Sarcomastigophora распадается на 2 класса:
Класс Саркодовые (Sarcodina) и Класс Жгутиконосцы (Mastigophora).
Класс Саркодовые включает амебы, а также ряд групп, строящих известковые и кремнеземовые панцири. Главная масса саркодовых – обитатели морей. Наряду с морскими видами имеется немало пресноводных, почвенных и небольшое число паразитов. Общее число современных видов саркодовых около 10000. В пределах класса различается 3 подкласса: Подкласс Корненожки (Rhizopoda), Подкласс Лучевики (Radiolaria), Подкласс Солнечники (Heliozoa)
Корненожки характеризуются разнообразной формой, подвижными псевдоподиями и отсутствием дифференцировки цитоплазматического тела. В подклассе Rhizopoda различают 3 отряда: Отряд Амебы (Amoebina), Отряд Раковинные Амебы (Testacea), Отряд Фораминиферы (Foraminifera).
В кишечнике человека и ряда позвоночных обитает большое количество видов паразитических амеб, которые питаются содержимым кишечника, бактериями и большей частью не причиняют никакого вреда хозяину.
Живет она в толстых кишках человека и обычно питается бактериями, не нанося никакого вреда. Но в ряде случаев дизентерийная амеба начинает вести себя иначе: проникает под слизистую оболочку кишки, начинает там питаться и усиленно размножаться. Слизистая кишечника изъязвляется, результатом чего бывает тяжелый кровавый понос (колит).
Класс жгутиконосцев характеризуется наличием жгутов, служащих органоидами движения. Жгутиконосцы представляют большой интерес в том отношении, что в пределах этого класса проходит как бы граница между растительным и животным миром. Представители ряда групп жгутиконосцев обладают хроматофорами, содержащими хлорофилл. Эти формы, как настоящие зеленые растения, способны на свету осуществлять фотосинтез. Другим жгутиковым свойствен гетеротрофный обмен – как все животные, они используют в качестве пищи готовые органические вещества. Имеются виды, совмещающие обе формы обмена.
Класс Mastigophora распадается на два подкласса: подкласс Phytomastigina (растительные жгутиконосцы, способные к фотосинтезу) и подкласс Zoomastigina (животные жгутиконосцы с гетеротрофным типом обмена).
Представители класса жгутиконосцев широко распространены в природе, в современной системе насчитывают 20 отрядов. Здесь указаны лишь наиболее важные представители этого класса, имеющие особый биологический интерес.
Подкласс Растительные жгутиконосцы (Phytomastigina) включает жгутиконосцы растительной природы, обладающие аутотрофным или миксотрофным способом питания и соответственно несущие зеленый пигмент хлорофилл, с наличием которого связан процесс фотосинтеза. Насчитывается 4 отряда.
Отряд Chrysomonadina состоит из мелких жгутиконосцев. Многие из хризомонад способны образовывать псевдоподии. Обычны в пресных и морских водах. Имеется несколько колониальных видов, из которых в пресной воде часто встречаются древовидные колонии Dinobryon и шаровидные Synura.
Отряд Dinoflagellata – панцирные жгутиконосцы. Двужгутиковые простейшие, обычно обладающие панцирем из клетчатки, слагающимся из закономерно расположенных отдельных пластинок (Peridinium, Ceratium). Иногда панцирь отсутствует. Большинство панцирных жгутиконосцев снабжено буро-желтыми, реже зелеными, хроматофорами.
Отряд Euglenoidea содержит большинство наиболее крупных, чаще всего одножгутиковых, окрашенных в зеленый цвет пресноводных жгутиконосцев. Некоторые виды рода Euglena в темноте легко обесцвечиваются и переходят от аутотрофного типа обмена к сапрофитному гетеротрофному. Некоторым евгленам свойствен миксотрофный тип обмена веществ.
Отряд Phytomonadina включает большое число двужгутиковых зеленых видов с чашевидными хроматофорами. Преимущественно пресноводные, частью – морские виды.
Подкласс Животные жгутиконосцы (Zoomastigina) включает гетеротрофные жгутиконосцы, ведущие свободноживущий или паразитический образ жизни и обладающие анимальным или сапрофитным способом питания. Включает 6 отрядов.
Отряд Choanoflagellata – воротничковые жгутиконосцы, свободноживущие одиночные или колониальные формы с одним жгутиком и расположенным у его основания цитоплазматическим воротничком. Формы колоний воротничковых жгутиконосцев разнообразны: существуют сферические и древовидные колонии.
Отряд Rhizomastigina – небольшой по числу видов отряд свободноживущих простейших.
Отряд Kinetoplastida характеризуется наличием особого, связанного со жгутиком органоида – кинетопласта. К этому отряду относится небольшое количество свободноживущих видов (род Bodo), но большинство ведет паразитический образ жизни. К ним принадлежит ряд возбудителей опасных болезней человека и животных (род Тrурапоsoma, род Leishmania).