Систематика и классификация микроорганизмов

Систематика и классификация микроорганизмов

 

Систематика микроорганизмов крайне сложна. Многие микроорганизмы имеют одинаковые морфологические признаки, но различные физиологические свойства. Эволюция многих микроорганизмов неизвестна, а родственные связи между ними часто неясны. Кроме того, понятие «вид» для микроорганизмов до сих пор не имеет четкого определения. Обычно к одному виду относят микроорганизмы, обладающие общими морфологическими и физиологическими свойствами, сходные по антигенной структуре. В среде обитания микроорганизмы, составляющие данный вид, вызывают сходные процессы в результате своей жизнедеятельности. Наименование вида у микроорганизмов дают по биноминальной (двойной) номенклатуре, предложенной Линнеем в 1760 г. Первое слово в названии микроорганизма означает род и обычно является латинским, второе слово — видовое название микроба. Наименование рода пишется с прописной буквы, а видовое —со строчной, например Bacillus anthracis — сибиреязвенная палочка, возбудитель сибирской язвы. При написании родовое название бактерии принято сокращать до начальной буквы, например Е. coli (Escherichia coli) — кишечная палочка.

В названии микроорганизмов могут быть отражены имена открывших их ученых. Так, бруцеллы описаны английским ученым- Брюсом, лямблии —русским врачом Лямблем. В честь американского микробиолога Сальмона назван род «сальмонелла», немецкого ученого Эшериха — род «эшерихиа», японского микробиолога Шига — род «шигелла». Иногда название микроорганизмов связано с названием органа, который они поражают: например, менингококки вызывают поражение мозговых оболочек, пневмококки — легких и т. д. Эти названия не согласуются с правилами номенклатуры.

Систематика микроорганизмов

Систематика - распределение микроорганизмов в соответствии с их происхождением и биологическим сходством. Систематика занимается всесторонним описанием видов организмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные по уровню родства классификационные единицы- таксоны. Основные вопросы, решаемые при систематике (три аспекта, три кита систематики)- классификация, идентификация и номенклатура. Другими словами, основная цель систематики - идентифицировать микроорганизм. Классификация - распределение (объединение) организмов в соответствии с их общими свойствами (сходными генотипическими и фентипическими признаками) по различным таксонам.

Таксономия - наука о методах и принципах распределения (классификации) организмов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто используют следующие таксономические единицы (таксоны)- штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны - семейство, порядок, класс. В современном представлении вид в микробиологии - совокупность микроорганизмов, имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генетической гомологии, как правило более 60%) и максимально близкие фенотипические характеристики. Нумерическая (численная) таксономия основывается на использовании максимального количества сопоставляемых признаков и математическом учете степени соответствия. Больщое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняло классификацию.

При изучении, идентификации и классификации микроорганизмов чаще всего изучают следующие (гено- и фенотипические) характеристики:

1. Морфологические - форма, величина, особенности взаиморасположения, структура.

2. Тинкториальные - отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму. По этому признаку все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные.

Морфологические свойства и отношение к окраске по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микроорганизм к крупным таксонам- семейству, роду.

3. Культуральные - характер роста микроорганизма на питательных средах.

4. Биохимические - способность ферментировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др.), образовывать в процессе жизнедеятельности различные биохимические продукты за счет активности различных ферментных систем и особенностей обмена веществ.

5. Антигенные - зависят преимущественно от химического состава и строения клеточной стенки, наличия жгутиков, капсулы, распознаются по способности макроорганизма (хозяина) вырабатывать антитела и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунологических реакциях.

6. Физиологические- способы углеводного (аутотрофы, гетеротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дыхания (аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы).

7. Подвижность и типы  движения.

8. Способность к спорообразованию, характер спор.

9. Чувствительность к бактериофагам, фаготипирование.

10. Химический состав клеточных  стенок - основные сахара и аминокислоты, липидный и жинокислотный состав.

11. Белковый спектр (полипептидный  профиль).

12. Чувствительность к  антибиотикам и другим лекарственным  препаратам.

13. Генотипические (использование методов геносистематики).

 

Классификация микроорганизмов

Классификация микроорганизмов (корневой таксон) – это распределение микроорганизмов по сходным или отличительным признакам в упорядоченные группы. 
Классификация микроорганизмов является одним из наиболее трудных разделов микробиологии. Чем полнее наши сведения об организмах, тем точнее мы их классифицируем.  
Современная классификация микроорганизмов построена по иерархическому принципу.  Различные уровни иерархии (таксономические категории, ряды, ранги) имеют собственные названия (от высших к низшим): царство, отдел, класс, порядок, семейство, род, вид. Принято, что любой конкретный микроорганизм должен последовательно принадлежать ко всем 7 категориям.

Царство (лат. regnum) – это иерархическая ступень научной классификации микроорганизмов, таксон самого высокого уровня среди основных.  Исторически выделяют пять царств живых организмов:  животные;  растения; грибы; бактерии;  вирусы. С 1977 года к ним присоединены ещё два царства: протисты;  археи. С 1998 выделяют ещё одно: хромисты.

Отдел (лат. dvisio) один из высших рангов таксономической иерархии в микробиологии. В иерархии таксономических категорий отдел находится выше класса и ниже царства. 
Названия отделов, как и названия других таксонов, ранг которых выше рода, являются униномиальными, то есть состоят из одного слова – существительного, или прилагательного, используемого как существительное, во множественном числе, написанного с заглавной буквы.

Класс (лат. classis) — один из основных рангов иерархической классификации в биологической систематике. В иерархии систематических категорий класс стоит ниже отдела и выше порядка. Названия классов, как и названия других таксонов, ранг которых выше рода, являются униномиальными.

Порядок (лат. ordo) один из основных рангов иерархической классификации. В иерархии систематических категорий стоит ниже класса и выше семейства. В бактериологии для названия порядков используется стандартизированное окончание –ales.

Карл Линней высказал мнение, что «порядок есть подразделение классов, вводимое для того, чтобы не разграничивать роды в числе большем, чем их легко может воспринять разум».

Семейство (лат. familia) один из основных рангов иерархической классификации в биологической систематике. В иерархии систематических категорий семейство стоит ниже порядка и выше рода. Названия семейств образуются по правилам, регулируемым международным кодексом номенклатуры бактерий. Название семейства образуется от названия типового рода, к основе которого добавляется стандартное окончание aceae.

 Род (лат. genus) стоит ниже семейства и выше вида. Научное название рода униномиально, то есть состоит из одного слова. Кодексы биологической номенклатуры требуют, чтобы это слово было по форме латинским, то есть было написано буквами латинского алфавита и подчинялось правилам латинской грамматики.  
Название рода рассматривается как имя существительное в единственном числе и пишется с заглавной буквы. Других ограничений нет, поэтому названием рода может быть как слово, заимствованное из классической латыни, так и латинизированное слово из любого языка (чаще всего из древнегреческого). Нередко название рода является словом, образованным от фамилии или имени (например, Escherichia) от имени ученого Эшериха.

От основы родового названия образуются названия таксонов группы семейства. Правила образования и применения родовых названий устанавливаются правилами, зафиксированными в международном кодексе номенклатуры бактерий.

 Вид (лат. species) таксономическая, систематическая единица, группа особей с общими морфофизиологическими, биохимическими и поведенческими признаками, способная к взаимному скрещиванию, дающему в ряду поколений плодовитое потомство, закономерно распространённая в пределах определённого ареала и сходно изменяющаяся под влиянием факторов внешней среды. Вид реально существующая единица живого мира, основная структурная единица в системе организмов. В классификации микроорганизмов проблема вида является самой важной и трудной. Без определения вида нельзя строить классификацию.

Вид -совокупность микроорганизмов, имеющих единое происхождение и генотип, сходные морфологические и биологические свойства. Вид у бактерий определяется суммой разнообразных признаков и свойств и представляет собой продукт эволюции живой материи, имеющий свою историю развития, формирования и стабилизации в результате приспособления к условиям существования.

Чистая культура -совокупность однородных микроорганизмов, выделенных на питательной среде, для которых характерно сходство биологических свойств.

Штамм -чистая культура микроорганизма, выделенная из определенного источника, и отличающаяся от других представителей вида. 
Клон- совокупность потомков, выращенных из единственной микробной клетки. В современных классификациях используют любой признак, лишь бы он выделялся и давал возможность распознать изучаемый микроорганизм. Сравнительно новым является понятие надцарства, или биологического домена.

Оно было предложено в 1990 Карлом Вёзе и ввело разделение всей биомассы Земли на три домена:  
1) эукариоты (домен, объединивший все организмы, клетки которых содержат ядро);  
2) бактерии;  
3) археи.

На основании особенностей строения микроорганизмов и других одноклеточных их разделяют на две четко различающиеся группы: эукариоты и прокариоты. 
Эукариоты - высшие микроорганизмы, или протисты. Клетки их по строению сходны с растительными и животными клетками. К эукариотам относят водоросли, грибы и простейшие. В клетках эукариотов имеется дифференцированное ядро, отграниченное от цитоплазмы ядерной мембраной. Внутри ядра находится набор хромосом, которые, удваиваясь в процессе деления — митоза, передаются дочерним клеткам. В цитоплазме эукариотов имеются развитая эндоплазматическая сеть, происходящая из цитоплазматической мембраны, а также митохондрии и различные органеллы — пластиды.

Прокариоты — низшие протисты. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Прокариоты по своей структуре резко отличаются от всех остальных живых организмов. В клеточной стенке прокариотов обнаружены пептидогликаны (гликопротеиды), не выявленные в составе клеток эукариотов. Ядро прокариотической клетки не дифференцировано: дезоксирибоиуклеиновая кислота (ДНК), составляющая хромосому, свободно погружена в цитоплазму, ядерная оболочка отсутствует. Эндоплазматическая сеть развита слабо, поэтому деление на «отсеки» в цитоплазме не выражено.

До сих пор единая международная классификация микроорганизмов отсутствует. Грибы, простейшие и вирусы имеют свою определенную классификацию, которая будет изложена в соответствующих разделах. Существуют также различные схемы классификаций бактерий и сине-зеленых водорослей. В настоящее время все большее признание получает систематика Берджи, изложенная в «Определителе бактерий», последний раз изданном в 1974 г. В нем описано и систематизировано более 1500 видов микроорганизмов, относящихся к прокариотам. Микроорганизмы, относящиеся к прокариотам, в определит еле Берджи разделены на два отдела: I — циано-бактерии (сине-зеленые водоросли) и II — бактерии. Наиболее подробно описан и систематизирован отдел бактерий. В него входят, помимо собственно бактерий (кокки, палочки, спириллы), такие микроорганизмы, как спирохеты, актиномицеты, риккетсии, хламидии, микоплазмы.Отдел бактерий разделен на 19 групп, или частей, что соответствует подотделам или подклассам. В эти группы входят порядки, семейства, роды и виды, которые имеют большое значение для человека. Среди микроорганизмов, вызывающих заболевания человека, можно назвать: спирохеты (группа 5), гонококки, стафилококки, стрептококки (группы 10 и 14), возбудители кишечных инфекций, в том числе холеры (группа 8), возбудители анаэробных инфекций и сибирской язвы (группа 15), актиномицеты и микобактерии (группа 17), риккетсии и хламидии (группа 18), микоплазмы (группа 19).

Идентификация микроорганизмов

Основные фено- и генотипические характеристики, используемые для классификации микроорганизмов, используются и для идентификации, т.е. установления их таксономического положения и прежде всего видовой принадлежности- наиболее важного аспекта микробиологической диагностики инфекционных заболеваний. Идентификация осуществляется на основе изучения фено- и генотипических характеристик изучаемого инфекционного агента и сравнения их с характеристиками известных видов. При этой работе часто применяют эталонные штаммы микроорганизмов, стандартные антигены и иммунные сыворотки к известным прототипным микроорганизмам. У патогенных микроорганизмов чаще изучают морфологические, тинкториальные, культуральные, биохимические и антигенные свойства.

Номенклатура - название микроорганизмов в соответствии с международными правилами. Для обозначения видов бактерий используют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры- Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.

В микробиологии часто используется и ряд других терминов для характеристики микроорганизмов.

В микробиологии существуют еще понятия «штамм» и «клон». Штамм — микроорганизмы одного вида, выделенные одномоментно из одного источника: от больного или носителя, а также с объектов внешней среды (из воды, пищевых продуктов, с предметов обихода). Штаммы отличаются между собой отдельными признаками, например устойчивостью к антибиотикам, сульфаниламидам, способностью вызывать неодинаковое по тяжести, клиническому течению и исходу инфекционное заболевание. Однако штаммы одного вида обладают всеми признаками, характеризующими их как вид. Они сохраняют также свое видовое название, к которому добавляют начальные буквы фамилии или инициалы больных, от которых был выделен данный штамм, или название территории, на которой он был обнаружен. Например, различные штаммы вируса гриппа получили свое название по месту их выделения: «азиатский» штамм вируса гриппа, штамм вируса гриппа «Гонконг».

Клон — культура микроорганизмов, полученная при размножении одной клетки данного вида или штамма. Термин «культура», или «популяция», используют для обозначения совокупности микробов, вырастающих на питательной среде из одной или нескольких клеток одного вида (от франц. population — население). Популяция микробов, состоящая из особей одного вида, называется чистой культурой, а из особей разных видов — смешанной культурой.

Основной принцип бактериологической работы - выделение и изучение свойств только чистых(однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур.

 

Лямблии. Лямблиоз.