Вируси, бактерии, протисти и гъби — урок по биология

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.

О

Вирус

Неклетъчен инфекциозен агент: нуклеинова киселина (ДНК или РНК, едно- или двуверижна), обвита в белтъчна обвивка – капсид. Някои вируси имат и външна липидна обвивка, взета от мембраната на клетката гостоприемник. Вирусите нямат собствен обмен на веществата и се размножават само в жива клетка, като използват нейните рибозоми, ензими и енергия.

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.

О

Ретровирус

РНК вирус, който с ензима обратна транскриптаза преписва генома си в ДНК и я вгражда в хромозомата на клетката. Пример: ХИВ, който поразява лимфоцитите и води до СПИН.

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.

О

Литичен и лизогенен цикъл

При литичния цикъл фагът веднага използва клетката, за да направи нови фаги, след което клетката се разпада (лизис) и ги освобождава. При лизогенния цикъл ДНК на фага се вгражда в хромозомата на бактерията като профаг и се копира заедно с нея при всяко делене, без да вреди. При стрес (например UV светлина) профагът се изрязва и започва литичен цикъл.

стъпка1 от 5време0 min

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 $m = \frac{2 \cdot 10^8}{10^8} = 2$ фага на бактерия (множественост на заразяване, MOI).
Вероятност една клетка да не получи нито един фаг: $P(0) = e^{-m} = e^{-2} \approx 0{,}135$ .
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.

О

Оцветяване по Грам

Метод от 1884 г. (Ханс Кристиан Грам): бактериите се оцветяват с кристалвиолет, фиксират се с йод, промиват се със спирт и се доцветяват със сафранин. Грам-положителните имат дебел слой пептидогликан и остават виолетови. Грам-отрицателните имат тънък пептидогликан и външна мембрана – губят виолетовото и стават розови.

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.

О

Бинарно делене

Безполовото размножаване на бактериите: кръговата хромозома се удвоява, двете копия се раздалечават, клетката се удължава и се разделя на две еднакви дъщерни клетки. Времето между две деления е времето на генерация g – при E. coli в оптимални условия около 20 min.

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

Т

Експоненциален растеж

Ако времето на генерация е

g

, за време

t

се сменят

n = \frac{t}{g}

поколения и броят на клетките става

N = N_0 \cdot 2^{t/g}

. Обратно, от два броя:

n = \log_2 \frac{N}{N_0} = \frac{\lg N - \lg N_0}{\lg 2}

и

g = \frac{t}{n}

.

О

Растежна крива

В затворен съд с хранителна среда бактериите минават през четири фази: лаг фаза (приспособяване, почти без делене), логаритмична фаза (делене с постоянно време на генерация – права линия в логаритмичен мащаб), стационарна фаза (храната свършва и се трупат отпадъци – колкото клетки се раждат, толкова умират) и фаза на отмиране.

g, min30lg N₀3лаг, h1,5t, h8

t8,00 hN7,7·10⁶фазалогаритмична фаза

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?

$\frac{N}{N_0} = \frac{9{,}6 \cdot 10^5}{3 \cdot 10^4} = 32 = 2^5$ – 5 поколения
$t = 2{,}5\ \mathrm{h} = 150\ \mathrm{min}$
$g = \frac{150}{5} = 30\ \mathrm{min}$

Ако една бактерия E. coli се делеше на всеки 20 min цяло денонощие, потомците ѝ щяха да са $2^{72} \approx 4{,}7 \cdot 10^{21}$ – 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).

Т

Брой бактерии от брой колонии

N = \frac{C}{V \cdot d}

, където

C

е броят на колониите,

V

– посятият обем в ml, а

d

– разреждането (напр.

10^{-6}

). Резултатът е в колониеобразуващи единици на ml (CFU/ml). Броят се само петрита с 30–300 колонии.

разреждане10⁻⁴колонии> 600посят обем0,1 ml

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 .

О

Азотфиксация

Превръщане на атмосферния азот N₂ в амоняк. Могат да го правят само някои бактерии и археи – с ензима нитрогеназа, който работи само без кислород:

\mathrm{N_2} + 8\mathrm{H^+} + 8e^- + 16\,\text{АТФ} \to 2\mathrm{NH_3} + \mathrm{H_2} + 16\,\text{АДФ} + 16\,\mathrm{P_i}

. Грудковите бактерии (Rhizobium) живеят в грудки по корените на бобовите растения и им доставят азот срещу захари.

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 $4 \cdot 10^{13}$ 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.

О

Археи

Прокариоти, обособени в отделен домейн. Мембранните им липиди са с етерни връзки (а не естерни), клетъчната им стена е без пептидогликан, а ДНК полимеразата и РНК полимеразата им приличат повече на тези на еукариотите. Не са известни археи, които да причиняват болести.

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

О

Антибиотик

Вещество, което убива бактерии или спира растежа им, без да вреди сериозно на клетките на човека. Действа върху структури, които има само при бактериите или които са различни при тях: клетъчната стена от пептидогликан (пеницилин), 70S рибозомите (тетрациклин, стрептомицин, еритромицин), ензимите за копиране на ДНК (хинолони). Много антибиотици са естествени вещества, отделяни от гъби и почвени бактерии.

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

О

Протисти

Еукариоти, които не са растения, животни или гъби – най-често едноклетъчни. Това не е естествена група с един общ прародител, а сборно название за много различни линии. Към тях спадат едноклетъчните и много от многоклетъчните водорасли и протозоите (животноподобните 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.

О

Малария

Болест, причинявана от протиста плазмодий (Plasmodium) и пренасяна от женските комари Anopheles. С ухапването в кръвта влизат спорозоити, които се размножават в черния дроб, а после – в еритроцитите. На всеки 48 часа (при P. falciparum и P. vivax) заразените еритроцити се пукат едновременно и освобождават нови паразити – оттам периодичните пристъпи на треска.

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

О

Гъби

Еукариоти хетеротрофи, които отделят храносмилателни ензими навън и всмукват разградените вещества. Клетъчната им стена е от хитин, а запасното вещество е гликоген (като при животните). Тялото на многоклетъчните гъби е мицел – мрежа от тънки нишки, наречени хифи. Размножават се със спори.

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.

О

Лишей

Сложен организъм от гъба и фотосинтезиращ партньор – зелено водорасло или цианобактерия. Гъбата дава защита, вода и минерални вещества, а партньорът – органичните вещества от фотосинтезата. Взаимноизгодното съжителство се нарича симбиоза (мутуализъм).

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.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

g = 20\ \mathrm{min},\ t = 2\ \mathrm{h}

Колко поколения бактерии се сменят за 2 h при време на генерация 20 min?

13. Микробите в числа

0 / 6

🥛 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 $\displaystyle 2^6 = 64$ пъти повече, а не $\displaystyle 6$ 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

1 / 9

✓ 0

Защо антибиотиците не лекуват грип?

Избери отговор (или натисни 1–4)

16. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

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: $N = N_0 \cdot 2^{t/g}$ ; растежна крива – лаг, логаритмична, стационарна фаза и отмиране
✓ Броене: $N = \frac{C}{V \cdot d}$ 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.