О виде у микроорганизмов

25.06.2014

Важнейшим и наиболее трудным вопросом в классификации организмов является понятие о виде. В микробиологии эта основная таксономическая единица изучена более слабо, чем в любой другой биологической области.
Трактовка вида в микробиологии весьма разнообразна в зависимости от того, какой специальности автор — миколог, бактериолог, фитопатолог, специалист технической, медицинской или другой какой-либо области. В каждом разделе микробиологии имеются свои отличительные черты в определении вида, обусловленные особенностями биологии данной группы организмов. У дрожжей, например, в основу определения вида берутся одни показатели (сбраживание сахаров у Saccharomyces, Zygosaccharotnyces и др.), у бактерий — другие и притом разные у разных групп; у актиномицетов имеются свои основные признаки и т. д.
Нередко авторы привносят в трактовку вида свои личные взгляды и вкусы, не сообразуясь с фактическим материалом.
Понятие о виде все более уточняется в зависимости от познания организмов, оно эволюционирует с развитием самой науки об организмах. От линнеевского понимания вида как стабильной, неменяющейся единицы до учения Дарвина и современных представлений о развивающемся виде историей естествознания пройден большой путь. Линней в определении вида отмечает два существенных признака — константность признаков и резкое разграничение их у разных видов. В дальнейшем Коржинский внес в понятие вида географический принцип, позднее более подробно разработанный Ветштейном. По этому принципу морфологические признаки вида сочетаются с его местообитанием. Примерно в то же время в понятие вида включается исторический момент, наиболее ярко выраженный в работах Семенова-Тянь-Шанского, который указывал, что сумма архитектонических признаков является результатом воздействия комплекса физико-географических факторов в геологическое уже минувшее время.
Установление филогенетических отношений в пределах вида привело к выделению главных и подчиненных ему таксономических единиц — разновидностей, форм и пр. Вид расчленился на главные и второстепенные формы; биноминальная номенклатура сделалась три-, квадримультиноминальной.
С развитием генетической науки понятие вида расширяется соответственно с представлениями об изменчивости и наследственности организмов. Были внесены новые термины для определения подразделений вида, такие как «биотип», «чистая линия», «жарданон», «линнеон» и др.
Новым этапом развития в определении вида является экспериментальная проверка. Наиболее важны из первых работ в этом направлении исследования Турессона, показавшего зависимость внешней формы растений от экологических условий обитания и установившего термин «экотип». Наконец, вид начинают рассматривать как определенную систему. Наиболее ярко это выражено у Вавилова, показавшего, что линнеевские виды являются определенными системами форм, а не случайным набором рас. Комаров в своей работе «Флора полуострова Камчатки» определяет понятие вида словами: вид — это морфологическая система, помноженная на географическую определенность.
Лысенко рассматривает вид как отдельные звенья единой цепи органического живого мира. Вид, — пишет он, — особенное качественное состояние живых форм материи. Существенной характерной чертой видов растений, животных и микроорганизмов являются определенные внутривидовые взаимоотношения между индивидуумами. Эти внутривидовые взаимоотношения качественно отличны от взаимоотношений между индивидуумами разных видов.
В этом определении основой являются биологические особенности организмов, их особые качества, познание которых должно явиться предметом специального изучения.
Как видно из изложенного, понятие вида трактуется по-разному. У каждого специалиста создаются свои представления о виде, иногда узкие и не всегда учитывающие фактический материал, полученный другими. Все же, несмотря на разнообразие представлений и коренные биологические различия, принципы классификации различных групп организмов должны быть одинаковыми. Признавая за каждой специальностью право углубления вопроса и разработки его в соответствующем направлении, систематики должны придерживаться основных положений и правил таксономии, установленных международными съездами и конференциями специалистов. Кроме того, имеются общебиологические качества, которые в равной степени характеризуют вид высших и низших организмов.
Касаясь понятия вида у микроорганизмов, следует отметить некоторые специфические стороны, которые исключают возможность применить здесь полностью принципы, применяемые в классификации высших организмов.
Отличительной чертой микроорганизмов является отсутствие у них многообразия морфологических признаков. Поэтому определение вида на основании только внешних показателей в огромном большинстве случаев бывает невозможным. Морфологические признаки здесь приемлемы только для установления более высоких таксономических единиц — рода, семейства и выше.
Принцип географический, или, вернее, эколого-пространственный, а тем более исторический в установлении вида у микробов неприемлем. В микробиологии нет данных, которые показывали бы наличие определенных закономерностей распространения отдельных видов в природе. Еще меньше сведений имеется относительно ископаемых форм микробов. Отдельные указания на наличие микробных клеток в шлифах каменного угля, сланцев и других отложениях не дают пока оснований для установления даже крупных таксономических единиц. Непригодны здесь и методы цитологии и генетики. У бактерий и актиномицетов нет настоящего, хорошо дифференцированного, обособленного ядра (имеются только нуклеоиды), нет у них пластид и каких-либо других органоидов, характерных для клеток высших организмов. Половой процесс у данных микроорганизмов отсутствует или он протекает, как отмечено выше, своеобразно и не может пока служить целям установления генетического родства организмов.
Биохимический метод определения вида, к сожалению, систематически не разрабатывается. Имеющиеся единичные попытки подразделять виды по биохимическим показателям пока не имеют серьезного значения.
Биохимические показатели могут быть использованы только в отдельных случаях для определения некоторых видов. Причем за основу могут быть взяты продукты, используемые организмами в субстратах, переработка определенных соединений органических или неорганических. В других случаях определяют организмы по продуктам метаболизма специфического характера, например по способности образовывать антибиотики, токсины, слизи и др.
Большой интерес для систематики представляют механизм и последовательность разложения органических соединений, например углеводов, с образованием промежуточных веществ.
К сожалению, это направление слишком мало разработано, чтобы можно было его использовать в целях классификации организмов. Следует отметить, что видовые особенности наиболее хорошо изучены у тех организмов, которые имеют практически важное значение. В таких случаях вид определяется по ведущему биохимическому или биологическому показателю. Среди антагонистов актиномицетов, а равно и других групп микробов начинают устанавливать виды по образуемому ими антибиотику. Среди высших растений нередко виды устанавливаются по признаку хозяйственной значимости, по тому или другому свойству, используемому человеком в быту или в промышленности.
Хозяйственно полезные организмы изучаются более интенсивно, и естественно, что они наиболее хорошо известны. У таких организмов выявляются многие биохимические, физиологические и биологические признаки, разработаны методы их распознавания.
Такое глубокое и всестороннее изучение организмов дает возможность лучше выявить объем вида и его отношение к другим видам. Нередко благодаря такому изучению выявляется разнокачественность таких организмов, которые до этого считались монолитным видом. Организмы, считавшиеся одним видом, оказываются сложной группой, состоящей из нескольких или многих видов.
Практически полезных видов, используемых человеком в быту или промышленности, сравнительно немного. Огромное же большинство организмов остается изученным лишь настолько, насколько это необходимо для общего учета. Совершенно очевидно, что устанавливаемые обычными методами виды микробов являются далеко не монолитными. В природе существует значительно больше видов, чем мы можем установить имеющимися в нашем распоряжении относительно примитивными методами. Неоднородность известных видов бактерий и актиномицетов все более и более выявляется по мере того, как они подвергаются более глубокому и разностороннему исследованию.
Какие же методы приемлемы для определения вида у бактерий и актиномицетов и вообще у микроорганизмов?
Большим преимуществом в микробиологии является возможность выращивать организмы на искусственных питательных средах в чистых изолированных культурах и наблюдать за их развитием непосредственно под микроскопом при разных условиях роста. Микробы быстро размножаются и благодаря этому многие вопросы, связанные с их полиморфизмом и изменчивостью в цикле развития, разрешаются в более короткие сроки, чем в работе с высшими организмами. Это особенно важно, когда требуется установить изменчивость или стабильность систематических признаков, в большом числе поколений.
Сравнительное изучение чистых культур микробов дает возможность познать вид не только в развитии индивидов или отдельных клеток, но и всей популяции в различных ее вариациях и отклонениях, происходящих, в процессе изменчивости.
Хотя выше и было сказано, что морфологический принцип во многих случаях непригоден для установления видов у бактерий и актиномицетов, тем не менее им не следует пренебрегать. В отдельных случаях он является надежным средством распознавания видов. Такие организмы, как азотобактер — Az. chroococcum, Вас. megatherium, нитчатые бактерии, многие серобактерии, железобактерии и другие виды хорошо определяются и распознаются по внешним, культуральным и морфологическим показателям.
При определении видов у микроорганизмов широко применяются физиологические показатели. Этот метод во многих случаях дает надежные результаты. Однако он также ограничен и приводит к путанице, если применяется без учета других показателей. Данный метод нуждается в разработке. Такие показатели, как отношение к кислороду, температуре, к реакции среды, затем ферментативная деятельность организма, потребность его в определенных питательных веществах минерального и органического состава, могут быть видовыми признаками только в определенном значении.
В микробиологии может с успехом применяться для определения видов филогенетический принцип. Указанные выше биологические особенности микробов дают возможность экспериментально устанавливать их генетическое родство. Метод экспериментальной изменчивости выявляет не только разнообразие клеток в культуре, их полиморфизм в циклогении, но и устанавливает степень видовой изменчивости и образования вариантов, а по последним — их родство с естественно существующими формами и видами микроорганизмов.
Этим методом нам удалось установить родственную связь между представителями лучистых грибков. Было экспериментально показано превращение микококков в микобактерии, микобактерий в проактиномицеты, а последних в актиномицеты. Были получены данные о родстве молочнокислых бактерий, пропионовокислых бактерий, некоторых микрококков и псевдобактерий с группой организмов, примыкающих к лучистым грибкам.
В микробиологической литературе имеются данные о филогенетическом родстве отдельных представителей миксобактерий. Остерле и Шталь, а затем Раутенштейн получили у Вас. mycoides варианты, которые не отличались от Вас. effusus, Вас. olfactorius, Вас. nanus, Вас. vulgatus, Вас. cereus, Вас. brevis, Вас. panis и даже Вас. mesentericus. Большое разнообразие вариантов (рис. 38) у Вас. mycoides было получено и нами. Медвинська экспериментально установила, что описанные в литературе спороносные бактерии — Вас. mesentericus fuscus, Вас. mesentericus niger, Вас. mesentericus vulgatus и Вас. mesentericus panis представляют собой один вид с двумя разновидностями. Гибсон приводит большой экспериментальный материал, касающийся объема вида Вас. subtilis. Он отождествляет данный вид с описанными в литературе бактериями Вас. aterrimus, Вас. globigii, Вас. leptosporus, Вас. levaniformans, Вас. panis, Вас. niger, Вас. viscogenes, Вас. vulgatus и некоторыми другими.

Нахимовская получила варианты от культуры Ps. aurantiaca, которые не отличались от Ps. fluorescens. От типичного штамма азотобактера — Az. chroococcum были получены варианты бесцветные, бескапсульные с мелкими атипичными клетками, растущие на белковых средах, не усваивающие молекулярный азот воздуха. Такие же варианты были найдены и в почве.
Широко известны варианты R, S, М, G и др. у разных представителей бактерий. Все они заметно отличаются от исходных культур и часто оказываются сходными с существующими в природе самостоятельными видами.
Еще больше образуется вариантов, которые отличаются физиологическими и биохимическими показателями. В большинстве случаев такие варианты не распознаются в лабораторных исследованиях и остаются вне поля зрения исследователей.
Методом экспериментальной изменчивости нами были показаны родство между отдельными видами клубеньковых бактерий, а также филогенетическая близость последних с некоторыми неклубеньковыми бактериями из рода Pseudomonas. Было установлено, что отдельные виды неспороносных бактерий рода Pseudomonas могут при соответствующих условиях превращаться в клубеньковые бактерии.
Пользуясь этим методом, нам удалось установить родство между отдельными видами неспороносных бактерий рода Bacterium и Pseudomonas, затем среди спороносных бактерий и других групп. В процессе изменчивости от двух разных культур рода Pseudomonas были получены одинаковые варианты (рис. 39), не отличающиеся между собой ни морфологически, ни физиологически, ни биохимически. Точно так же виды спороносных бактерий Вас. mesentericus, Вас. subtilis, Вас. cereus, Вас. licheniformis дают, как отмечалось выше, совершенно одинаковые варианты. Все это говорит о сходстве наследственных или видовых свойств организмов.

Метод экспериментальной изменчивости хорошо вскрывает родственные связи среди дрожжевых организмов. Филиппов установил этим способом родство между разными представителями неспороносных дрожжей. От культуры рода Torulopsis при воздействии рентгеновских лучей был получен ряд стойких вариантов, которые по своим морфологофизиологическим свойствам, если бы применить к ним правила современной систематики, должны быть отнесены одни к роду Torulopsis, а другие — к Mycotorula.
Путем расшатывания наследственности и последующего воспитания нами были получены многочисленные варианты (более двадцати) от другого дрожжевого грибка — Sporobolomyces, из которых одни были совершенно идентичны культурам из рода Torula и Torulopsis или Mycotorula, другие имели хорошо развитый мицелий, не отличающийся от мицелия некоторых мицелиальных грибов. Приведенные данные показывают, что экспериментальная изменчивость может быть ценным методом для познания вида, его родства с другими видами и как таковая может и должна шире применяться при классификации микроорганизмов вообще и бактерий, а также актиномицетов, в частности.
В медицинской бактериологической практике широко применяется серологический метод диагностирования патогенных бактерий. Этот метод очень чувствителен, при помощи его выявляются малейшие различия среди штаммов, образующихся в условиях изменчивости тех или иных культур. Чувствительность определяется химической природой антигенов и способностью метода выявлять различия между многообразными молекулами, преимущественно белковыми, которые не могут быть дифференцированы обычными химическими методами. При помощи антигенов вскрываются мельчайшие изменения в составе белков, а следовательно диагностируются тончайшие вариации в культурах. Тем не менее этот метод не используется в систематике микробов в той мере, как это следовало бы ожидать. Будучи прекрасным и весьма чувствительным методом для диагностирования близких штаммов, он в большинстве случаев совершенно непригоден для целей классификации и распознавания видов. Попытки подразделить клубеньковые бактерии серологическим методом дают противоречивые результаты, явно не согласующиеся с данными классификации обычными способами. В одну таксономическую группу попадают совершенно различные виды, и наоборот. Такие же примерно результаты были получены и при попытке разделить штаммы азотобактера, радиобактера, бактерии рода Pseudomonas, Bacterium, Clostridium, стрептококков и др.
По-видимому, еще недостаточно разработаны отдельные стороны этого метода. Опыт показывает, что не всегда удается выявить соответствующие антигены у многих представителей микробов, а равно и у высших организмов. Об этом говорят многолетние исследования Ламана и Дэвиса, пытавшихся группировать виды спороносных бактерий рода Bacillus. У вегетативных клеток они не могли обнаружить специфических антигенов — ни соматических (О), ни жгутиковых (H). Более обнадеживающие результаты получаются с антигенами спор.
В отношении молочнокислых бактерий рода Lactobacterium до последнего времени не удавалась серологическая группировка. Только недавно Шарпе удалось получить преципитин, при помощи которого эти бактерии как-будто дифференцируются соответственно видам, определяемым морфофизиологическими методами.
He увенчались надлежащим успехом продолжавшиеся 14 лет известные исследования Меца и его сотрудников, пытавшихся группировать растения серологическими методами.
Метод серодиагностики наиболее хорошо разработан для группы кишечных бактерий — Bact. coli, Bact. typhi, Bact. paratyphi, Bact. dysenteriae и др. C успехом он применяется для дифференцирования стрептококков, пневмококков, стафилококков и особенно в вирусологии. Следует отметить, что группировки, установленные этим методом, имеют свой специфический характер и далеко не всегда соответствуют группировкам, выявляемым другими приемами. Опыт показывает, что метод серологии для установления вида требует большой осторожности и тщательного анализа получаемых результатов. Он может иметь лишь подсобное значение, сочетаясь с другими возможными способами микробиологического анализа.
Делаются также попытки для идентификации видов бактерий применить метод фагии, основанный на способности фагов лизировать определенные виды бактерий. Среди фагов имеются штаммы со строго специфическими видовыми свойствами, поражающие только один вид микробов. Имеются фаги групповой специфичности, они поражают организмы, принадлежащие к различным видам или даже родам. Предполагается, что первые фаги пригодны для видовой дифференцировки, а вторые для подразделения групп.
В литературе приводятся данные видового подразделения при помощи фагов у бактерий кишечной группы, стафилококков, неспороносных и спороносных бактерий, обитающих в почвах и др. Кацнельсон и Сатон отмечают, что методом фагии можно обнаруживать фитопатогенные бактерии в различных субстратах. Они выявили наличие бактерий — Ps. phaseolicola на семенах фасоли, не выделяя их в чистые культуры. Семена промывали водой, в промывную воду вносился специфический видовой фаг Ps. phaseolicola и через некоторое время после инкубации устанавливался его титр. По титру определялась степень размножения. Фаг, как полагают авторы, может размножаться только в клетках указанного вида бактерий.
Смит, Гордон и Кларк сообщают, что методом фагии можно дифференцировать спороносные бактерии. Имеются сведения о видовом и групповом дифференцировании бактерий кишечной группы — Bact. coli, Bact. typhi, Bact. paratyphi, Bact. dysenteriae. Стоккор и другие авторы полагают, что все эти организмы составляют одну близко родственную группу бактерий. К ней же, по мнению указанного автора, относятся чумная и псевдотуберкулезная палочки (Bact. pestis и Bact. pseudotuberculosis). Как видно из изложенного, бактериофаги и актинофаги очень чувствительны, но далеко не так специфичны, как это требуется для целей систематики. Метод фагии так же, как и метод серологии, может быть использован только в отдельных случаях и притом только как вспомогательный прием.
В фитопатологии применяется паразитологический и токсикологический принцип классификации видов. Некоторые паразитирующие организмы строго специализированы по отношению к определенным видам растений, что дает возможность установить по растению вид паразита.
Известно также, что отдельные виды паразитов образуют определенные токсины, например дифтерийная палочка, возбудитель газовой гангрены, ботулиновая палочка и др.
Эти показатели имеют узко специальный характер и могут быть применены только к ограниченной группе микробов. Возможно, что когда будут исследованы различные представители микроорганизмов с точки зрения образования ими специфических метаболитов — токсических и нетоксических, данный принцип найдет себе применение в распознавании микроорганизмов.
Существенным видовым показателем, по нашим данным, является специфика антагонизма. Нами было показано, что микробы при совместном пребывании часто проявляют антагонизм. Одна культура подавляет рост другой. Этот процесс может осуществляться специфическими и неспецифическими веществами.
В определении видов имеют значение специфические вещества, или антибиотики. Каждый вид антагониста синтезирует свой особый антибиотик, а иногда одновременно два и три антибиотика. Характерной особенностью антибиотиков является то, что они, как правило, не подавляют роста своего продуцента и всех организмов, принадлежащих к данному виду. Действие антибиотиков, а следовательно и их продуцентов, направлено против определенных организмов-конкурентов. Эта специфика строго постоянна для антагонистов и может служить целям диагностики видов. Нами на этом принципе разработан метод определения и дифференцирования видов актиномицетов и спороносных бактерий-антагонистов. Пользуясь этим методом, мы смогли установить видовое разнообразие среди отдельных групп организмов, которые ранее относились к одному виду. Аналогичные данные были получены Тейлоном и некоторыми другими исследователями.
На основании всего изложенного можно заключить, что вид — это реально существующая таксономическая единица, состоящая из различных индивидов, штаммов, или культур (в лаборатории), форм и разновидностей. Всем им свойственно одно качество, которое может проявляться в различных формах. Это качество характеризует вид в целом, и пока оно сохраняется, вид остается неизменным. Индивиды, разновидности есть лишь форма существования вида. Особи и разновидности могут различаться между собой, но общие для них видовые признаки остаются неизменными.
Следовательно, вид как звено в эволюционной цепи развития представляет собой в известном смысле замкнутую единицу живых существ. Замкнутость состоит в том, что все особи вида находятся в определенных взаимоотношениях. Взаимоотношения эти внутри вида отличные от взаимоотношений между организмами, принадлежащими к разным видам. Это особенно наглядно показано в случаях с микробами-антагонистами.
Замкнутость вида заключается в потребности определенных условий существования — питании, свете, температуре и прочих факторах. Все особи одного и того же вида, как бы они ни различались между собой, требуют одних и тех же основных средств существования, именно таких, какие не обязательны для других видов. В каких бы различных географических зонах ни развивались отдельные особи или культуры одного и того же вида, они всегда ассимилируют одну и ту же среду.
Например, актиномицеты, образующие стрептомицин и составляющие один вид — Act. streptomycini, очень широко распространены в природе; отдельные штаммы вида обитают в различных географических зонах, в разных почвах, на севере и на юге, на востоке и на западе, в илах рек и озер, на разных растительных остатках. Экологические условия обитания их очень различны. Тем не менее штаммы этого вида обладают одной и той же природой, одной и той же наследственностью и одними и теми же основными свойствами.
Вид — это обособленное звено в эволюции организмов, состоящее из качественно однородных форм, которые требуют одних и тех же основных условий существования, имеют одинаковые корни происхождения и характеризуются определенными морфологическими и физиологическими признаками, а также степенью наследуемой изменчивости.
Объем вида определяется степенью изменчивости организма, его, так сказать, морфо-генетической способностью. Проявляется вид в разновидностях, формах и индивидах (клетках), представляющих собой видовые вариации и полиморфизм при определенных условиях существования.
Вид — это изменяющаяся и развивающаяся система родственных организмов. Зачатки ее можно видеть уже в индивидуальных изменениях клеток. Эти изменения в процессе приспособления к среде и доминирующего роста расширяются и закрепляются естественным отбором.
Опыт показывает, что микробы не бывают мономорфными ни в условиях роста на искусственных питательных средах, ни в природе. В природных условиях клетки микробов подвергаются более сильным и разнообразным воздействиям; естественно ожидать, что и образование вариантов должно быть более многочисленным и разнообразным. Это подтверждается микробиологическими анализами природных субстратов. В почве, как будет показано далее, вид существует в весьма разнообразных проявлениях — морфологических и функциональных. Разнообразие штаммов, форм, разновидностей каждого вида в природных условиях определяется особенностями последних и наследственными свойствами организма.
Виды в систематике группируются в более крупные таксономические единицы — роды, а роды в семейства и т. д.