Индивидуальная изменчивость или полиморфизм клеток

25.06.2014

Если рассматривать под микроскопом какую-либо культуру микроорганизмов, будь то бактерии, дрожжи или другие представители, то всегда можно заметить большее или меньшее разнообразие клеток. Клетки различаются между собой по величине, форме и прочим внешним признакам, а также и по внутренней структуре. Одни клетки имеют совершенно однородную, бесструктурную на вид плазму, другие — зернистую, вакуолистую или без вакуоль. У одних клеток содержится много запасных питательных веществ — метахроматина, липоидов или других веществ, у других — мало или нет вовсе.
Индивидуальные различия клеток одной и той же культуры выражены в разной степени в зависимости от возраста, вида и условий роста. Наиболее резко различаются клетки между собой в старых культурах, когда начинается инволюция их. В этих случаях, как отмечалось выше, клетки могут принимать весьма разнообразную форму и величину.
Большое внимание привлекают сильно увеличенные клетки и клетки ультрамикроскопических размеров, или фильтрующиеся формы.
Образование сильно увеличенных деформированных клеток как проявление полиморфизма отмечается в культурах разных бактерий и актиномицетов. Увеличенные клетки имеют различные размеры и очертания. Они могут быть шаровидными, колбовидными, веретеновидными, нитевидными, амебовидными и пр. Нередко длинные клетки образуют боковые выросты, напоминающие ветки, а у раздутых клеток часто появляются на поверхности почковидные образования (рис. 30).
Размеры таких клеток превышают размеры нормальных в десятки и даже сотни раз, достигая нередко гигантской величины. Протопласт таких сильно увеличенных клеток заметно отличается от протопласта нормальных клеток. Плазма в них — вакуолистая с многочисленными включениями метахроматина, липоидов, гликогеноподобных веществ и пр. Характерным для них всех является большое накопление хроматиновых включений.

Как правило, эти клетки маложизненны, не развиваются и не размножаются; они обычно погибают, разрушаются и автолизируются. Такие клетки называют инволюционными. Если процесс дегенерации не слишком далеко зашел, то они при определенных благоприятных условиях могут регенерировать и давать нормальное поколение.
У некоторых бактерий можно длительное время поддерживать культуры в дегенеративном состоянии с характерными, сильно увеличенными деформированными клетками. Последние при этом размножаются и порождают особи тоже дегенеративного порядка.
Мы сохраняли в дегенеративном виде культуру азотобактера, выращивая ее на сусло-агаре или на среде с мясо-пептонным бульоном, а культуру клубеньковых бактерий гороха, клевера, вики и др. — на мясо-пептонном агаре. Указанные среды для роста поименованных бактерий мало пригодны или совсем не пригодны. Клетки развиваются крайне слабо и, как правило, имеют ненормальные размеры и формы. В то же время они не теряют способности размножаться, причем часто необычным путем — почкованием и дроблением. Следовательно, не всякое перерождение или не всякое деформирование клеток ведет к дегенерации и гибели их.
Сильно раздутые клетки образуются под влиянием различных факторов — физических, химических и биологических.
Гигантские деформированные клетки можно получить при воздействии химических веществ. Гамалея получал их в среде с хлористым литием. Они образуются при воздействии повышенных концентраций обычных солей, в присутствии некоторых красок, под влиянием ультрафиолетовых лучей, супраоптимальной температуры, антибиотиков, фагов и др. Как правило, все неблагоприятно действующие на рост микробов агенты, могут вызвать указанные формы перерождения клеток.
Степень морфологической дегенерации у разных видов бактерий и актиномицетов различна. У одних она сильно выражена, у других слабо, почти незаметно.
Очень сильно выражен морфологический полиморфизм у азотобактера. Разнообразие клеток у него достигает нескольких десятков форм. Лёнис и Смит насчитывали 13 различных типов, нами и Бачинским было найдено до 200 форм. Изучение большой коллекции азотобактера показало, что такой полиморфизм выражен не у всех штаммов.
Большое разнообразие клеточных форм дегенеративного характера отмечаются у некоторых микобактерий — Mycob. cyaneum и др. У актиномицетов наиболее сильно выражено это явление у Act. violaceus.
У спороносных бактерий Вас. megatherium деформированные клетки были хорошо изучены Кудрявцевым. Разнообразие описанных им форм отмечалось при выращивании на обычных питательных средах, но более характерные и более резко выраженные встречались на сахаристых средах (сусло-агар и др.).
Пешков, изучив образование реактивных форм у выделенного им микроба Bact. epsteinii, рассматривает данный вид бактерий как пример необычайного полиморфизма.
Образование раздутых форм наблюдается у разных видов бактерий — патогенных и сапрофитов. Многочисленные исследования показывают, что бактерии реагируют на воздействие различных антибиотиков — пенициллина, стрептомицина, ауреомицина и многих других — резким изменением формы и величины. Получаются деформации, подобные образовавшимся при воздействии других агентов.
Наряду с образованием гигантских клеток в культурах бактерий и актиномицетов не менее часто наблюдается формирование мельчайших зародышевых элементов. Почти в каждой культуре, особенно в старой, можно видеть под микроскопом среди обычных клеток мельчайшие тельца в виде зернышек, слабо преломляющих свет. Эти тельца нередко накапливаются в большом количестве, образуя мелкозернистый осадок.
Размеры измельченных клеток очень малы и колеблются от 0,5 μ до едва видимых в лучшие оптические микроскопы и еще более мелких (за пределами видимости).
Образование измельченных форм может происходить различными способами. Оно может наблюдаться в процессе дробления клеток, когда деление не сопровождается ростом или последний ослаблен. С каждым новым делением получаются клетки все меньших размеров. У некоторых бактерий (азотобактер) такие измельченные клетки иногда находятся в слизистой капсуле. Получается в итоге как бы одна большая клетка, наполненная зародышевыми элементами, напоминающими собой нанноциты у водорослей. Размеры таких «нанноцитов» варьируют в пределах 0,1—0,5 μ в диаметре и менее.
Дробление клеток наблюдается у спороносных и неспороносных бактерий, у актиномицетов и микобактерий, причем этот процесс часто сопровождается автолизом материнских клеток.
Измельченные клетки также образуются путем почкования, как это было описано выше.
В отдельных случаях внутри клеток чаще всего деформированных, раздутых, образуются мельчайшие зародыши. Это так называемые регенеративные формы. Образование их происходит из протоплазмы при непременном участии хроматиновых зерен, о чем сообщалось выше.
Благодаря своим мелким размерам все эти формы проникают через бактериальные фильтры и могут рассматриваться как фильтрующиеся формы. По-видимому, с последними они составляют одну группу репродуктивных элементов. Эти формы близки между собой и по своим свойствам. Te и другие мало жизненны, не развиваются на обычных питательных средах или развиваются крайне слабо.
В последние годы большое внимание привлекает явление полиморфизма у некоторых бактерий, связанное с образованием сильно измененных, так называемых L-форм. Наиболее подробно оно изучено у Streptobacillus moniliformis. Клинебергер-Нобель, Эрсков и другие показали, что у данного организма при росте на искусственных питательных средах выявляются резко различные формы. Наряду с крупными, сильно раздутыми формами имеются чрезвычайно мелкие элементы, внешне напоминающие возбудителя плевропневмонии. Последние же настолько своеобразны, что многими исследователями относятся в особый ряд микробов, якобы не имеющих ничего общего с бактериями. Мелкие формы типа плевропневмонии описаны у многих бактерий.
Клетки одной и той же культуры различаются между собой не только морфологически, но также физиологически и биохимически, причем эти различия могут быть количественными и качественными. Хотя у нас нет методов для выявления физиологии отдельных клеток, но наблюдения в висячей капле показывают, что различие это существует. Оно выявляется в реакции клеток на внешние раздражители. В зависимости от индивидуальных физиологических свойств у одних клеток метахроматин накапливается быстро и в больших количествах, у других его мало и появляется он поздно, у третьих он совсем отсутствует. Накопление жира, гликогена, гликогеноподобных веществ и других включений в одних клетках происходит, в других нет. Одни клетки размножаются быстро, другие медленно. Быстро растущие клетки дают два — пять поколений и более, в то время как медленно растущие особи за это же время дают одно-два поколения или вовсе не приступают к размножению. Если клетки, наполненные запасным питательным веществом, поместить в голодную среду, то исчезновение этих запасов протекает весьма различно: у одних клеток быстро, у других медленно.
Клетки бактерий также по-разному реагируют на воздействия антибиотиков — пенициллина, стрептомицина, ауреомицина или других препаратов. Одни из них быстро погибают, другие находятся в субвитальном состоянии, при пересеве на свежий нормальный субстрат не прорастают или прорастают только при особых условиях дополнительного питания, третьи растут, но не размножаются или размножаются медленно, в результате чего получаются раздутые, дегенеративные формы. Есть резистентные клетки, которые растут и размножаются более или менее нормально без изменения внешних форм и величины.
Хьюгс отмечает, что две дочерние клетки бактерий (Bact. coli, Bact. proteus), образовавшиеся после деления материнской клетки, различаются между собой своим отношением к антибиотикам, к отсутствию кислорода и некоторым другим факторам.
Полиморфность клеток проявляется и в биологических реакциях. Клетки одной и той же культуры отличаются друг от друга устойчивостью к различным агентам. При воздействии повышенной температурой одни клетки погибают, другие сохраняются, а третьи развиваются и размножаются. То же самое наблюдается и при воздействии лучистой энергией, химических реактивов и пр.
У одних клеток проявляется половой процесс (у дрожжей), у других нет, одни клетки образуют споры, другие не образуют.
Следовательно, культуры микроорганизмов состоят из большого разнообразия клеточных форм, из особей качественно неоднородных.
Эти различия — морфологические, физиологические и биохимические — обусловлены биологическими особенностями клеток микроорганизмов. Они не случайны, а биологически закономерны для всех видов микробов. Разнокачественность имеет большое биологическое значение. Благодаря разнообразию клеток культура микробов или вид в целом обладает большей возможностью приспосабливаться к различным условиям. He будь этой разнокачественности вся культура погибала бы при первом же неблагоприятном воздействии.
Разнокачественность культуры, или полиморфизм клеток, следует отличать от разнокачественности, или полиморфизма, вида. Полиморфизм клеток включается в понятие полиморфизма вида, но не отождествляется с ним.
Разнокачественность культур микроорганизмов определяет в той или иной мере и полиморфизм вида. Вид у микроорганизмов характеризуется не только полиморфизмом клеток, но и полиморфизмом культуры. Один и тот же вид, даже одна и та же культура на питательных средах часто дает разнообразные колонии. Известно, что азотобактер — Az. chroococсum на одной и той же среде Эшби (агаризованной) растет то в виде слизистой, растекающейся по поверхности колонии, то в виде компактной клейстерообразной; то окрашенной в черный цвет, то бесцветной или буроватой; в одних случаях морщинистой или складчатой, в других — в виде гладких, пастообразных или слизистых колоний.
У спороносных бактерий Вас. mesentericus, Вас. subtilis, Вас. mycoides, Вас. brevis, Вас. cereus и др. насчитывается от пяти до десяти типов колоний на агаризованных средах. Одна и та же культура Вас. mesentericus при рассеве на МПА часто образует смесь: формы типичные и атипичные, складчатые или брыжейкоподобные; мелкоскладчатые, сухие, стелющиеся по поверхности агара; плоские, гладкие; пленчатые, глянцевитые с единичными радиальными складками и др. (рис. 31).

У Вас. mycoides описаны атипичные зернистые антракоидные, складчатые, гладкие и другие колонии (рис. 32). Значительный полиморфизм культур наблюдается у неспороносных бактерий — клубеньковых, представителей рода Pseudomonas, рода Bacterium, у молочнокислых, микобактерий и др. Ho особенно большое разнообразие во внешнем строении колоний отмечается у актиномицетов. У этих организмов полиморфность настолько велика, что вызывает у исследователей сомнения в возможности их видового подразделения. Лиске, например, отказался разделить актиномициты на виды, считая, что все наблюдаемое разнообразие форм является следствием полиморфизма, а не видовых отличий.
Спороносные бактерии Вас. subtilis и Вас. mesentericus согласно этой точке зрения являются крайними вариантами одного и того же вида.

По нашим наблюдениям, Вас. subtilis, Вас. mesentericus, Вас. cereus. Вас. brevis отличаются в основном друг от друга только внешним видом колоний и характером роста на искусственных питательных средах. Обычные физиологические показатели — разжижение желатины, свертывание молока, разложение крахмала в основном одни и те же для всех организмов. Более тонкие биохимические свойства у них не выявлены.
Однородность упомянутых бактерий подтверждается и методом экспериментальной изменчивости. Путем обычного выращивания и последующего рассева на разные питательные среды от типичной культуры Вас. mesentericus сравнительно быстро можно получить культуры типа Вас. subtilis, Bas. cereus или Вас. brevis, Вас. pumilis и некоторые другие формы.
Так называемые типичные штаммы Вас. cereus дают формы, не отличимые от Вас. subtilis или Вас. brevis и Вас. licheniformis.
От пяти видов спороносных бактерий нами были получены однотипные варианты: а) морщинистые или брыжейкоподобные с блестящей или жирно блестящей поверхностью, колонии маслянистые; б) тонкопленчатые, мелкоскладчатые, сухие, матовые; в) толстопленчатые с приподнятыми краями, блюдцеобразные, с иногда имеющимися радиальными отдельными мелкими складками; г) колонии сухие, мелкоскладчатые, мучнисто-белые, нередко срастающиеся с агаром; д) колонии зернисто-складчатые, сочные, влажно-блестящие, толстые с неровными слегка диффузными краями (табл. 2).

Образование однотипных вариантов нами наблюдалось у некоторых видов неспороносных бактерий рода Bacterium и Pseudomonas, у актиномицетов, микобактерий и др. Такое проявление однотипности вариантов в процессе изменчивости культур определяется однородностью живого вещества и происходит у близких между собой организмов. По этим вариантам можно судить о филогенетической близости исходных культур или о принадлежности изучаемых организмов к одному и тому же виду. На этом основан метод экспериментальной изменчивости для установления вида в классификации бактерий и других микробов.
Разнообразие форм и вариантов в культурах отражает степень полиморфизма вида. Как клеточный, так и культуральный полиморфизм имеют определенную органическую связь с видовой изменчивостью. Среди множества нестабильных клеточных элементов или среди нестабильных вариантов культуры появляются отдельные особи или отдельные колонии с наследственно закрепленными признаками того же свойства. У дрожжевых организмов Saccharomyces cerevisiae мы получали стойкие варианты с признаками, которые выявлялись у клеточных особей, как проявление индивидуальной изменчивости или полиморфизма. Индивидуальная изменчивость предрешает в определенном смысле изменчивость видовую. При видовой изменчивости стабильные варианты повторяют или воспроизводят те признаки, которые выявляются при полиморфизме.