Какова же внешняя и внутренняя структура бактериальной клетки? Ее схематическое изображение представлено на рисунке. Как и все клетки, она содержит протоплазму, состоящую из цитоплазмы и ядра (у бактерий чаще говорят об области ядра). Цитоплазму охватывает цитоплазматическая мембрана, к внешней стороне которой примыкает клеточная стенка, определяющая форму клетки (фото 19). При воздействии пенициллина на бактериальные клетки обычно нарушается именно структура их стенок и протопласты или сферопласты оказываются оголенными[5]. У них остается лишь тонкая цитоплазматическая мембрана. С потерей стенки исчезает и первичная форма бактериальной клетки, так как оголенный протопласт принимает форму шара. Большинство палочковидных и спиралевидных бактерий снабжены органами передвижения, которые называются жгутиками. Одна клетка может иметь от одного до тридцати жгутиков. Их число и расположение строго характерны для определенных видов бактерий. Зарождаясь в цитоплазме, они выходят через стенку клетки наружу в виде тонких волосков, диаметр которых не превышает 12 нм. Из клеток ряда бактерий удалось выделить некоторое количество жгутиков, достаточное для их химического анализа. В результате было установлено, что бактериальные жгутики состоят из белков, подобных тем, которые находятся в мышцах.
Клеточная стенка многих бактерий часто покрыта слоем слизи, носящим название капсулы. При наблюдении ультратонких срезов бактериальных клеток в электронном микроскопе было установлено, что ширина клеточной стенки равна 10–20 нм. Специальными методами удалось изолировать отдельные стенки, изучить их строение и подвергнуть химическому анализу, который показал, что в них содержится большое количество белков и жиров.
Уже давно было известно, что в бактериях встречаются соединения, характерные для клеточных ядер (речь о них пойдет в главе 12), но «морфологически дифференцированного ядра», как говорят цитологи, выявить до сих пор не удавалось. Лишь благодаря изучению ультратонких срезов, а также с помощью некоторых других методов удалось доказать присутствие в цитоплазме телец, которые не только своим химическим составом, но и иными особенностями напоминают клеточные ядра. С другой стороны, некоторые свойства отличают их от ядер, известных нам по клеткам ряда микроорганизмов, животных и растений.
Схема строения бактериальной клетки.
В цитоплазме бактерий иногда встречаются и другие образования.
Серобактерии, например, вызывают некоторые изменения в сернистых соединениях и откладывают в своих клетках серу. Известны также бактерии, способ питания которых очень напоминает процесс питания зеленых растений, или фотосинтез. Они усваивают из атмосферы углекислый газ и синтезируют сложные органические соединения. Этот синтез требует участия какого-то источника энергии. В данном случае таким источником является солнечный свет. Поэтому весь процесс и называется фотосинтезом. В клетках зеленых частей растений (листьях) находятся хлоропласт ы, в которых происходит процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие бактерии содержат в своих клетках образования, исполняющие ту же функцию; они называются хроматофорами. Если величина хлоропластов у зеленых растений обычно не меньше 5 мкм (как и клеток дрожжей) и они хорошо видны в световом микроскопе, то хроматофоры бактерий в этих условиях невидимы, так как они почти в 100 раз меньше хлоропластов. Но тем не менее их удалось выделить из разрушенных клеток бактерий и наблюдать в микроскопе при увеличении в 70 000 раз.
Интересные образования находятся и в цитоплазме бактериальных «палочек» или бацилл — это споры. Но об их специфических особенностях будет рассказано несколько позже.
Электронный микроскоп проникает в тайны микромира
Исследователей, вооружившихся в целях познания электронным микроскопом, привлекают не только бактерии, но и многие другие микроорганизмы. Они изучают поверхностную структуру клеточных стенок или, подобно хирургам, приготовляют ультратонкие срезы мельчайших клеток и проникают в тайны их внутреннего мира.
Профессора Волькани из Калифорнийского университета заинтересовали диатомовые водоросли. Эти организмы откладывают в стенках своих клеток большое количество кремнезема. После кратковременной обработки этих клеток кислотой электронный микроскоп помог нам открыть сетчатое строение их панциря, а ультрамикротом — заглянуть внутрь клетки и обнаружить ее ядро и множество жировых капелек (фото 20 и 21).
Не менее интересным оказалось и строение клетки простейшего, туфельки Paramecium bursaria, в которой, помимо прочих включений, были обнаружены мелкие клетки зеленой водоросли из рода Chlorella. Так электронный микроскоп позволил установить между этим простейшим и водорослями взаимоотношения, известные под названием симбиоза (фото 22).
В предыдущей главе мы узнали, что грибы размножаются с помощью особых клеток — спор. Интересные данные были получены в Лаборатории электронной микроскопии Высшей федеральной технической школы в Цюрихе. У спор грибов, относимых специалистами к роду Penicillium, была обнаружена своеобразная поверхностная структура. Споры каждого вида выглядят так, точно искусная рука корзинщицы оплела их особым узором (фото 23).
Доктор Янг из Лондонского университета занимался изучением поверхностной структуры спор микроскопических грибов, относимых микологами к порядку Mucorales. У большей части изученных видов споры снабжены тонкими отростками. При взгляде на такую спору в памяти возникает образ обычного оружия гуситов — булавы с острыми шипами. Эти шиповатые выросты имеют в основании правильные шестиугольники и очень равномерно распределены по поверхности споры (фото 24).
Ценные услуги оказал электронный микроскоп и группе исследователей во главе с профессором Нечасом (медицинский факультет в городе Брно). При помощи фермента, выделяемого виноградной улиткой, удалось растворить клеточные стенки дрожжевых грибов и выделить их протопласты. Это очень хрупкие образования, но в руках искусных специалистов они становятся отличным материалом, на котором можно наблюдать формирование клеточных стенок. После перенесения протопластов на обычную питательную среду вокруг них начинают образовываться новые стенки клеток (фото 25 и 26).
Разделение труда в клетке
Какова же роль отдельных клеточных образований, с которыми мы только что познакомились? Этот вопрос встал перед исследователями; вполне естественно, что его задаст и читатель, узнавший об их открытии.
О защитной функции клеточных стенок мы уже говорили, так же как и о том, что они определяют постоянную, характерную для различных бактерий форму. Если стенку бактериальной палочки отделить от ее содержимого, то протопласт потеряет форму палочки и превратится в шар, сохранив, однако, все свои основные жизненные функции.
Роль цитоплазматической мембраны довольно разнообразна. Ее самая главная и важная функция — поддерживать в клетке определенное осмотическое давление. Сквозь мембрану в клетку поступают вещества, служащие ей источником питания, и выделяются наружу продукты химической активности клетки. Таким образом, цитоплазматическая мембрана играет как бы роль пограничной стражи, которая пропускает внутрь клетки или высылает за ее пределы «избранные» соединения, по-видимому, активно способствуя этому обмену. У простейших, чьи клетки лишены стенок, цитоплазматическая мембрана дает возможность организму изменять форму и вбирать в себя твердые частицы пищи, как при фагоцитозе. Такой же механизм наблюдается и у белых кровяных телец, которые обезвреживают болезнетворные микробы, «поглощая» их.
Ядро — важный жизненный центр клетки. В нем представлен своего рода «планирующий орган», управляющий ее деятельностью и обеспечивающий передачу наследственных особенностей от одной генерации другой. Далее мы увидим, что ответственность за эту операцию несут молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).
В клетках дрожжей и других микроорганизмов, как и в клетках растений и животных, находятся также митохондрии — своего рода энергетические станции клеток. В них протекают процессы химического преобразования веществ, благодаря которым клетка приобретает основную часть необходимой ей энергии. Впрочем, уже точно установлено, что эти процессы происходят и в клетках бактерий, хотя в них митохондрии отсутствуют.
В цитоплазме микробов содержатся образования, называемые рибосома-м и, которые являются центрами синтеза белка в клетке.
Таким образом, мы видим, что в клетке как основной единице живой природы царит строгий порядок и осуществляется целесообразное разделение труда.
