08.08.2017
14.07.2017
06.07.2017
19.06.2017
19.06.2017
19.06.2017
15.06.2017
12.06.2017
12.06.2017
16.05.2017
Ядро и нуклеоиды бактерий
 25.06.2014

Различные микроорганизмы имеют разное строение ядра. У простейших (Protozoa), а также у грибов и дрожжей имеется вполне сформированное обособленное ядро с характерным внутренним строением и развитием, которое присуще ядрам высших организмов. У сине-зеленых водорослей оно представлено в виде примитивного образования в центральной части клетки и носит название — «центрального тела».
«Центральное тело» занимает большую часть клетки. Оно состоит из тонкой сети, в узлах которой расположены отдельные зернышки хроматина. Эта часть хорошо окрашивается основными красками. По периферии, непосредственно под оболочкой, расположен тонкий слой протоплазмы. В нем часто находятся зерна цианофицина. Перед делением клетки «центральное» тело раздваивается при помощи поперечной перегородки (рис. 3).
У грибов и дрожжей ядерный аппарат хорошо изучен. В основе своей он не отличается от ядер высших растений. Как и у последних, ядро дрожжей и грибов имеет ячеистое строение и содержит ядрышко. При делении в ядре формируются хромосомы, которые образуют характерные структурные фигуры по фазам развития. Деление ядра протекает митотически. Подробные исследования ядра у дрожжей и грибов произведены Гвиллиермоном. До его исследований дрожжевые организмы считались безъядерными; находимые же внутри клеток отдельные тельца причислялись к ядерноподобным образованиям, а не к настоящим ядрам. О ядре бактерий и актиномицетов имеются менее определенные представления.

Ядро и нуклеоиды бактерий

Долгое время бактерии считались безъядерными организмами. В конце XIX столетия Бючли высказал предположение, что бактерии, как и всякие другие организмы, имеют ядро. Десять лет спустя, после тщательного изучения протопласта, он пришел к выводу, что у бактерий действительно имеется ядро, но несхожее с ядром высших организмов. По его данным, ядро у бактерий составляет центральную часть протопласта и построено по типу ядра сине-зеленых водорослей. Так же, как и у последних, центральное тело, или прототип ядра, окружено тонким слоем протоплазмы, примыкающим непосредственно к оболочке.
Такую точку зрения разделяли многие другие исследователи того времени — Вейгерт, Цетнов, Френцель, Ружичка, Митрофанов, Шевяков и др.
Фишер развивал другую точку зрения на вопрос о существовании ядра у бактерий. По его данным, у бактерий нет ядра, или, точнее, весь протопласт бактериальной клетки представляет собой ядро. Подвергая клетки микроскопическому анализу, автор не находил в плазме каких-либо включений, которые напоминали бы ядро. Отмечаемые отдельные тельца и зернышки, по его мнению, не имели с ним ничего общего. Только некоторые зернышки окрашивались анилиновыми красками подобно хроматину.
Этой же точки зрения придерживался Мигула. Он так же, как и Фишер, находил внутри клеток бактерий только мелкие зернышки, похожие по окраске на ядерное вещество. Ядро, или ядерное вещество, у бактерий, по мнению этих авторов, находится в диффузном или раздробленном состоянии.
Гертвиг, развивая теорию диффузного ядра, исходил из аналогии с образованием так называемых хромидий при распаде ядра у некоторых простейших (Heliozoa). По его мнению, у бактерий нет обособленного ядра, но имеется ядерное вещество, которое в виде мельчайших зерен или нитей распределено сеткой (хромидиальная сеть) по всему протопласту клетки. Хромидиальная сеть может заполнять целиком всю клетку или большую часть ее. В последнем случае плазма расположена по периферии. Шаудин провел обширные исследования ядерного аппарата найденной им гигантской спороносной палочки — Вас. butchlii; они подтвердили только что сказанное. Этот микроб, имеющий до 80μ длины и 3,5μ в поперечнике, очень подвижен, перитрих. Протопласт клеток состоит из двух частей: периферической в виде светлого ободка и центральной. Первая, по наблюдению автора, представляет тонкий слой плазмы, вторая центральное тело, или примитивное ядро. Оно имеет ячеистое строение, хорошо красится основными красками и пронизано мелкими зернышками хромидиями. Перед спорообразованием зернышки центрального тела устремляются к центру клетки и распределяются в нить по длинной оси клетки. Эта хроматиновая нить зигзагообразна, тянется от одного конца клетки к другому, густо окрашивается красками и резко преломляет свет. Спустя некоторое время зерна нити начинают перемещаться к полюсам, где они собираются вместе и формируются в одно большое тело округлой или овальной формы. Из этого тела затем образуется спора. Центральное тело Шаудин отмечал у спороносной бактерии Вас. sporonema.
Теория диффузного ядра разрабатывалась Гвиллиермоном, Свелленгребелем и другими исследователями. В настоящее время эта теория принимается многими физиологами. Свелленгребель описал хроматиновую нить, образующуюся из хромидий, у спороносной палочки Box. maximus buccalis. У других бактерий он находил ядерные тяжи, которые формировались либо из круглых ядерных телец, либо из хромидий.
Гвиллиермон, будучи большим специалистом в области цитологии, много потрудился над изучением протопласта простейших организмов — водорослей, грибов, дрожжей и бактерий. У бактерий он не обнаружил ядро, но находил у них хроматиновое вещество, которое содержалось в растворенном или раздробленном состоянии в протоплазме. При спорообразовании Гвиллиермон наблюдал выпадение хроматина в виде отдельных зерен.
В противоположность только что приведенным взглядам о диффузном строении ядра в литературе имеются не менее обоснованные высказывания о наличии у бактерий обособленного, вполне оформившегося ядра.
Впервые эту точку зрения высказал Майер. По его мнению, бактерий содержат настоящее ядро, как и высшие организмы. Он обосновывал свои заключения данными анализов грибных организмов, у которых ядра действительно хорошо обособлены и выявляются четко. Автор полагал, что грибы и бактерии филогенетически близкие организмы. Если имеются ядра у грибов, то они должны быть и у бактерий. Объектом своих исследований Майер избрал крупную спороносную палочку Вас. asterosporus. Он установил наличие внутри этого бацилла обособленных телец, которые были приняты им за ядра. Таких телец диаметром 0,3μ он насчитывал 3—4 в клетке.
Последователи этих взглядов развивали довольно широко теорию обособленного ядра у бактерий. В настоящее время эта теория становится наиболее популярной.
Интересны данные, полученные в последнее время при помощи электронной микроскопии. При введении некоторых усовершенствований стало возможным выявлять и дифференцировать отдельные мельчайшие клеточные структуры.
Известно, что наиболее характерным составным веществом ядра являются нуклеиновые кислоты, а именно тимонуклеиновая или дезоксирибонуклеиновая кислота, в то время как для протоплазмы характерны рибонуклеиновая или плазменная кислота.
Проницаемость, т. е. прозрачность, ядерного или хроматинового вещества, в основе которого находится тимонуклеиновая кислота, для потока электронов иная, несхожая с проницаемостью плазменных нуклеиновых веществ (рибонуклеиновой кислоты). Благодаря этому можно дифференцировать и распознавать ядерные элементы, отличая их от неядерных.
В познании ядра и ядерного вещества в клетках бактерий большое значение придается химическим методам. При помощи химических реакций удается выявить отдельные компоненты ядра и установить их химическую природу. Из химических реакций привлекает внимание реакция Фёльгена. Она основана на гидролизе соляной кислотой тимонуклеиновой кислоты. При этом освобождаются находящиеся в ней гуанин и аденин, а также углеводная часть. Последняя при обработке сернокислым фуксином приобретает яркую окраску розовато-фиолетового цвета. Эта окраска характерна для альдегидов и показывает, следовательно, что углеводная часть тимонуклеиновой кислоты состоит из альдегидов.
Фёльген применил эту реакцию для выявления тимонуклеиновой кислоты у простейших и получил положительный результат. У бактерий и дрожжей он не обнаружил это вещество, на основании чего сделал неправильное заключение об отсутствии у бактерий основного ядерного вещества. Однако последующие исследования многочисленных других авторов показали ошибочность такого заключения.
Тимонуклеиновая кислота была найдена этим методом у бактерий разных групп и видов, у актиномицетов, у дрожжей, грибов и других представителей микроорганизмов.
Исследования показывают, что распределение тимонуклеиновой кислоты в клетках бактерий, устанавливаемое методом Фёльгена, вполне соответствует локализации структурных образований, выявляемых микроскопическими методами. В зависимости от вида бактерий, их возраста и условий роста тимонуклеиновая кислота либо распределяется диффузно, либо сосредоточивается в виде телец, глыбок разной величины и конфигурации.
Ценной микрохимической методикой для установления состава ядерного вещества является ферментативная обработка. Пепсин с соляной кислотой (желудочный сок) растворяет бактериальные клетки, белки различного состава, но не растворяет хроматиновое вещество. He растворяет он также и нуклеиновые кислоты. Пешков применил ферменты нуклеазы для распознавания ядерного вещества в базофильных тельцах бактерий.
При изучении ядерного вещества применяется и макрохимический метод. Белозерский извлекал щелочью из бактериальной массы нуклеопротеиды и затем разделял их на две фракции - ядерную и протоплазм этическую. Первая содержит типичную тимонуклеиновую или дезоксирибонуклеиновую кислоту, вторая только плазменную или рибонуклеиновую кислоту.
В последние годы предложен еще один, очень тонкий метод распознавания ядерного вещества - метод спектроскопии. Он основан на способности хроматинового вещества, или нуклеоидов и других ядерных структур, поглощать в ультрафиолетовом свете определенные части спектра. При помощи этого метода удалось показать, что нуклеоиды к вообще ядерное вещество бактерий обладают точно таким же спектром поглощения (в области 2600 А), какой характерен для хроматина высших организмов.
Ядро и нуклеоиды бактерий

В результате применения всех этих методов цитологического анализа микробной клетки удается получить достаточно убедительные данные о наличии ядра у бактерий. В настоящее время можно определенно говорить, что бактерии имеют ядерное вещество, которое по своему составу не отличается от ядерного вещества высших растений. Однако в отличие от последних ядерное вещество, или хроматин, у бактерий распределяется не всегда в виде обособленных телец или органоидов. Оно находится в различных состояниях в зависимости от вида, возраста клеток и условий роста культуры. Хроматин может быть в клетках бактерий в диффузном состоянии либо в виде мельчайших телец и зерен, распределенных по всему протопласту клетки. На известных стадиях развития ядерное вещество находится в клетках бактерий в виде обособленных структурных образований, имеющих определенные размеры, форму и очертания, которые свойственны настоящим ядрам у других организмов — грибов, дрожжей и пр.
Такие оформленные структурные образования хроматина в отличие от настоящих ядер называются бактериальными ядрами, или нуклеоидами. Наиболее характерным и убедительным доказательством того, что эти образования являются органоидами клетки, а не другими какими-либо включениями, является способность их репродуцироваться в процессе размножения клеток. Это свойство, как известно, является непременной принадлежностью всякого органоида клетки и в первую очередь ядра, что отличает его от внешне похожих мертвых включений, как например, зерен запасных питательных веществ, различных метаболитов и пр.
Нуклеоиды, как показывают многочисленные современные исследования, размножаются простым делением, или перешнуровыванием, иначе амитозом. Округлое тельце вытягивается, становится палочкообразным, посредине появляется перетяжка, при помощи которой происходит раздвоение тельца (рис. 4). Иногда можно наблюдать дробление нуклеоидов, т. е. разделение хроматиновой массы на несколько комочков одновременно (рис. 5) Ядерное вещество нуклеоидов может репродуцироваться путем почкования. На поверхности тельца появляется бугорок, который постепенно увеличивается и, достигнув определенных размеров, отрывается от материнского тела. От одного тельца могут отпочковываться несколько дочерних нуклеоидов.
Ядро и нуклеоиды бактерий

Почкование и дробление хроматиновой массы нуклеоидов наблюдается обычно у раздутых, так называемых инволюционных клеток. При этом такие формы репродукции нуклеоидов часто сопровождаются образованием особых зародышей или репродуктивных, иначе регенеративных, телец внутри клетки. Эти формирования нами наблюдались у азотобактера, клубеньковых бактерий и актиномицетов.
После разделения нуклеоидов происходит деление клетки. У бактерий, нередко наблюдается множественная репродукция клеток, или размножение путем дробления, когда клетка одновременно разделяется на несколько дочерних. Такое деление наблюдается у микрококков, микобактерий, спороносных бактерий Вас. megatherium, Вас. mesentericus и др., у азотобактера, у некоторых нитчатых бактерий. В этих случаях в каждой дочерней клетке можно заметить по одному мелкому тельцу хроматина, или нуклеоиду.
Нуклеоиды закономерно формируются при спорообразовании. Раздробленный хроматин в виде мелких зернышек концентрируется в небольшие комочки в какой-либо части клетки, чаще там, где будет формироваться спора. Эти комочки округляются, покрываются ободком плазмы, а затем формируется оболочка. Получается готовая спора. В зрелой споре нуклеоиды постоянно имеются у всех видов спороносных бактерий, у микобактерий, актиномицетов и, надо полагать, у всех других микроорганизмов, формирующих внутри те или другие репродуктивные образования.
Внутренняя структура «бактериальных ядер» не выявляется; все тельце представляет собой однородную массу, сильно окрашивающуюся основными красками. Внутри таких телец не обнаруживается ни хромосом, ни ядрышек. Некоторые исследователи, впрочем, пытаются доказать наличие определенных структур внутри «бактериальных ядер», описывают хромосомы и различные образования, считая их подобными хромидиальной сети у настоящих ядер. По аналогии с ядрами высших организмов у бактерий описывается кариокинез с различными его фазами. Например, Де Ламатер отмечает у Вас. megatherium профазу, метафазу, анафазу, телофазу, затем образование типичного веретена с центриолями. Такую же картину деления ядра он наблюдал у микрококков Micr cryophiius, у кишечной палочки. Автор отмечает, что разные виды бактерий содержат в ядре различное количество хромосом Аналогичные данные о структуре и развитии ядра у бактерий приводят Линдегрен и некоторые другие исследователи.
Приводимый этими исследователями материал неубедителен. Описываемые ими структурные изменения хроматиновых скоплений телец весьма разнообразны. Хроматин, или хроматиноподобное вещество, в клетках бактерий довольно часто принимает различные и довольно неопределенные конфигурации и размеры. Изменения эти не имеют никакой закономерности и не связаны с процессом деления клеток. Среди разнообразных формирований в скоплениях хроматина всегда можно найти случайные фигуры, несколько напоминающие формы той или другой фазы деления ядра.
Биссет не мог подтвердить данных Де Ляматера. Он считает неправильной его классификацию наблюдаемых структур внутри клеток в процессе деления. То, что Де Ляматер принимал за центриоли, в действительности оказалось зачатками поперечных перегородок. Биссет также не смог обнаружить найденные Де Ляматером в клетках микобактерий митохондрии.
Ядерное вещество в виде нуклеоидов пребывает в клетках сравнительно недолгое время, обычно только в период их раннего развития. По мере старения культуры в клетках заметно увеличивается хроматиновая субстанция. Нередко она занимает значительную часть клетки, почти заполняет ее целиком. В таких случаях хроматиновое вещество, как правило, имеет неопределенные очертания и конфигурацию. Огромные глыбы хроматиновой массы густо окрашиваются ядерными красками, дают реакцию Фёльгена, приобретают более рыхлую и ячеистую структуру, нередко вся масса разрывается на отдельные участки и глыбки или отделяет небольшие комочки. Эти огромные скопления некоторые авторы рассматривают как одно большое ядро, а раздробление ее — как деление ядра. Однако с этим едва ли можно согласиться. Как правило, огромные скопления хроматина наблюдаются при ненормальном развитии культур, когда клетки находятся в состоянии инволюции. Они отмечаются всегда при неблагоприятных условиях роста, при воздействии повышенной температуры, при облучении ультрафиолетовыми лучами или радием, рентгеновскими лучами и др. Активное и быстрое образование хроматинового вещества происходит при воздействии на бактерии или актиномицеты фагами. По наблюдению Герчика, достаточно проникнуть хвостовой части фага в тело клетки, чтобы вызвать у нее указанные изменения. Через несколько минут после контакта протопласта клетки бактерии или актиномицета с фагом образуются большие глыбы хроматина или хроматиноподобного вещества. Клетки при этом разбухают и принимают необычные формы и размеры.
Как правило, скопление хроматинового вещества в клетках сопровождается понижением их жизнеспособности.
Едва ли образование столь большого количества ядерного вещества можно рассматривать как нормальную функцию развития и размножения клеток. Надо полагать, что этот процесс отражает ненормальное развитие с нарушением определенных биохимических реакций в обмене веществ. Хроматиновые же скопления в виде разнообразных глыбок представляют результат извращенного метаболизма и, во всяком случае, не являются фазами развития ядра. В этих глыбках могут формироваться отдельные зачатки зародышей, так называемые регенеративные тельца.
Нуклеоиды описаны у бактерий кишечной группы — Bact. coli, Bact. typhi, Bact. dysenteriae, Bact. proteus и других видов.
У актиномицетов мы наблюдали нуклеоиды, как правило, только у молодых особей. Особенно они хорошо заметны при культивировании в жидкой синтетической среде. В нитях мицелия выявляются отдельные тельца, расположенные на отдаленном расстоянии друг от друга. Нередко можно видеть два рядом расположенных или даже вместе слившихся нуклеоида. Такое явление мы рассматриваем как процесс деления этих образований. В старых культурах нити не имеют оформленных нуклеоидов, вместо них обнаруживаются зерна или бесформенные глыбки и большие скопления хроматина, разбросанные в беспорядке по всему мицелию или только по отдельным нитям его. Эти хроматиновые скопления не являются уже органоидом нормального развития клетки, а представляют собой скопления дегенеративного перерождения протопласта в целом или только составной его части, именно той, которая связана с нуклеопротеидами.
Опыт показывает, что с беспорядочным накоплением хроматиновых глыбок в клетках заметно меняются биохимические процессы, меняется характер обмена и образование продуктов метаболизма. Это хорошо заметно особенно у актиномицетов в процессе образования ими антибиотических веществ. Указанные изменения в хроматиновых структурах мицелия актиномицетов достаточно постоянны и закономерны при развитии культур и используются нередко в антибиотической практике как признак текущего состояния процесса. Надо полагать, что хроматин, быть может, является одним из мощных рычагов регуляции метаболизма. К сожалению, мы очень мало знаем о связи биохимических процессов с образованием и накоплением хроматиновой субстанции в клетке.
Имеются бактерии, у которых ядерное вещество распределяется в клетках так же, как у сине-зеленых водорослей, в виде центрального тела. Такие ядра описаны нами у Pontothrix longissima, у Oscillospira guilliermondii, у Anabaeniolum. Эти бактерии состоят из нитевидных особей большей или меньшей длины. Каждая особь или нить разделена поперечными перегородками на ряд коротких клеток, длина которых обычно не превышает поперечник, а чаще бывает меньше. Внутреннее строение таких клеток напоминает строение протопласта сине-зеленых водорослей. Большую часть клетки занимает центральное тело. По периферии тонким слоем распределяется плазма. Центральное тело хорошо окрашивается анилиновыми красками и легко обнаруживается благодаря своему размеру при обычном увеличении микроскопа (рис. 6).
Ядро и нуклеоиды бактерий

Такое же распределение хроматина описано у Caryophanon Заллом и Мэддом.
У многих бактерий отмечаются на концах клеток так называемые полярные тельца, или зернышки, которые густо окрашиваются красками подобно хроматину. Значение этих телец точно не известно. Некоторые авторы принимают их за ядерные структуры, а некоторые считают волютином. Имеются указания на то, что полярные тельца представляют собой своеобразное утолщение оболочки. Эти утолщения в последнее время многие склонны рассматривать как точку роста клеток, ведающую функцией удлинения особей.
Таким образом, можно заключить, что ядерный аппарат у бактерий и актиномицетов своеобразен. Он резко отличается от ядерного аппарата грибов, дрожжей, простейших и тем более высших растений или животных.
Ядро у бактерий и актиномицетов примитивное. Оно не имеет постоянных, установившихся структурных формирований, проявляется то в диффузно растворенном состоянии, то в виде мелких зернышек и телец, разбросанных по всему протопласту клетки, то в виде организованного внутриклеточного органоида — нуклеоида. В последнем случае такое тело по внешнему виду, форме, величине и очертаниям напоминает настоящее ядро у грибов или дрожжей. Однако в отличие от последних нуклеоиды бактерий структурно не дифференцированы, в них не обнаруживаются характерные для настоящего ядра формирования, как например, ядрышко, хромосомы или другие структуры. Наиболее убедительным доказательством ядерной природы нуклеоидов является способность их репродуцироваться в процессе деления клеток.
Характерной особенностью нуклеоидов является то, что они формируются часто заново из диффузно растворенного или раздробленного хроматина при спорообразовании у спороносных бактерий, микобактерий и актиномицетов; организуются они также и внутри вегетативных клеток, на определенных стадиях их роста.
Следует отметить, что некоторые формы проявления бактериального ядра свойственны и ядерному аппарату высших организмов.
В цитологии растительной клетки давно были отмечены необычные способы размножения клеток и деления ядра. Ядра клеток некоторых тканей при определенных условиях начинают размножаться не так, как это свойственно обычным клеткам высших организмов, не путем сложного развития и образования различных фаз, не митозом, а посредством простого деления или перетягивания ядерной массы, иначе амитозом. При амитозе ядра размножаются делением, перешнуровыванием, дроблением и почкованием. Амитоз, как показывают современные исследования, широко распространен среди растительного мира, встречается он и в клетках животных организмов.
Амитотическое деление ядра обнаруживается в клетках каллюса, при рубцевании, при регенерации и во вновь образуемых тканях. В этих случаях клетки претерпевают ряд цитохимических и морфологических изменений. В ядре происходят процессы прямого деления или дробления, образуется последовательно несколько дочерних ядер; иногда ядро распадается одновременно на несколько дочерних. Последние разъединяются между собой, распределяются в разных участках плазмы, где они становятся центрами формирования дочерних клеток. По наблюдениям Глущенко и др., в клетках рубцующейся ткани клубня картофеля было установлено почкование ядер. Такие ядра деформируются, разбухают, приобретают различные очертания, на их поверхности появляются лопасти или почкообразные выпячивания. Последние постепенно округляются, отпочковываются от материнского ядра и превращаются в обособленные дочерние ядра.
Элленгорн и Жиронкин показали, что в определенных случаях при развитии зачатка корня клетки его не имеют вообще ядра. Эти безъядерные клетки размножаются дроблением. В последующем развитии корешка безъядерные клетки образуют примитивно организованные ядра, или «протокарионы». «Протокарион» размножается путем простого деления, или перешнуровывания. Митозы отсутствуют. Только позже, когда корешок достаточно разовьется, эти примитивные ядра в его клетках начинают размножаться митотически.
Безъядерные клетки находил Глущенко в тканях чечевиц черной смородины при образовании из них корешков, затем в клетках рубцирующейся ткани Недера. Эти клетки размножаются в начальной стадии образования корешка путем дробления без малейших признаков в них ядра. Так же, как и в опытах Элленгорна, через некоторое время в клетках заново формируются примитивные ядра, которые размножаются простым делением, перешнуровыванием. В таких ядрах — «протокарионах» нет ни ядрышка, ни хромосом.
В этих примерах (а их имеется в литературе немало) показано некоторое сходство формирования и строения ядер у растений и бактерий или актиномицетов. Как и у последних, ядра таких растительных клеток могут формироваться заново из хроматинового вещества, распределенного в протопласте диффузно. Такой способ образования и развития примитивных ядер у растений, по-видимому, отражает картину начальной стадии эволюции и формирования клеток.