CC BY
96
УДК 616.24-008.8.078
БАКТЕРИАЛЬНАЯ КОЛОНИЯ КАК СЛОЖНОЕ СООБЩЕСТВО КЛЕТОК
О.Ю. КУЗНЕЦОВ*
Ключевые слова: бактериальная колония, сообщество
Колония микроорганизмов, видимая невооруженным глазом, - это уже сформировавшийся биологический организм, состоящий из потомков клеток, прошедших начальный этап формирования микроколонии. Изучение структурной организации бактериальных клеток в колонии представляют интерес для установления особенностей ее функционирования. Данные об архитектонике бактериальных колоний и структуре их клеточных популяций говорят в пользу представления о колонии как многокомпонентной системе организованных клеток. Повторяемость этой организации за счет действия неизвестных нам сил позволяет воссоздавать каждый раз однотипную внутреннюю структуру, что и проявляется на макроуровне как постоянство размеров, формы и пр. характеристик, которые служат таксономическими признаками при росте колоний на однотипных средах [1].
Архитектоника образовавшихся на поверхности агаризо-ванной питательной среды колоний, которая во многом и определяет внешнюю морфологическую структуру, начинает складываться уже на на этапе формирования микроколоний.
На примере выполненных исследований штаммов 8.йехпеп 8 и ИЛ (коллекция Симмонса) методами световой, сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии проанализируем возможность использования данных методик для получения информации об адаптивном поведении указанных штаммов в процессе формирования бактериальной колонии. Динамическое наблюдение процесса формирования микроколонии, выполненные с помощью фазово-контрастного устройства МКУ-1, обнаруживают морфологическую и функциональную гетерогенность клеток. Наши исследования подтвердили, что в микроколонии присутствуют, по крайней мере, три группы (кластера) клеток -активно растущие и размножающиеся, покоящиеся, а также лизирующиеся клетки. Клетки всех перечисленных кластеров диффузно распределены в пространстве, причем они часто находятся в тесном контакте между собой. В образующихся микроколониях, клетки лежат в один слой. Через 6-8 часов отдельные микроколонии сливаются друг с другом, а однослойность расположения клеток нарушается (рис.1). К 18-24 ч. культивирования на среде формируется крупная микроколония с шероховатой поверхностью из-за хаотичного расположения в ней клеток.
Наличие в бактериальной колонии клеток, различных по времени прохождения клеточного цикла, физиологическому состоянию, их величине, взаимному расположению - не позволяет лишь по морфологическим данным (цитоархитектонике колонии) ответить на вопрос о закономерностях создания той самой однотипной по морфологии колонии, которая и позволяет использовать ее характеристики в таксономических целях. Повторяемость морфологических свойств колонии может быть вызвана, на наш взгляд, двумя основными причинами - механической и электрокинетической укладкой клеток в колонии.
Строго стабильная укладка клеток относительно друг друга в образующейся колонии практически невозможна. Наличие значительных пространств между клетками (дифференцированными и внешне, и физиологически), заполненных межклеточным матриксом, дает право отвергнуть предположение о чисто механическом образовании бактериальной колонии из клеток, как отдельных и независимых друг от друга элементов (рис.2). Формирование морфологически подобных колоний (даже на одной чашке с одной культурой) при наличии в колонии различных морфологических и физиологических типов клеток, а также обнаружение удаленности клеток внутри колонии позволяют предположить существование единых механизмов этого процесса. С большой долей уверенности можно считать природу этих механизмов физико-химической, затрагивающей две составляющие: клетку и ее среду обитания в динамическом взаимодействии. Известно, что на одной и той же питательной среде (практически с одной величиной поверхностного натяжения) можно получить бактериальные колонии различных диссоциативных групп, например 8 или И.
* Ивановская ГМА
Рис. 1. Динамика формирования микроколонии 8.Аехпеп 8 (световая фазово-контрастная микроскопия. Ув. х2700)
Типичная морфология бактериальных колоний зависит больше от диссоциативных свойств составляющих ее клеток, а принадлежность колонии к тому или иному диссоциативному типу внутри вида зависит от преобладания в исходной микроколонии клеток с электрокинетическим потенциалом («зарядом») оболочки. Представим теоретически ряд физических аспектов бактериальной колонизации плотных поверхностей. Для этого рассмотрим в динамике развитие колоний строгих диссоциантов 8- и И-форм, т.е. случаи, когда диссоциативный процесс внутри формирующейся колонии отсутствует. Образование колонии в таком случае происходит из одной электрически нейтральной бактериальной клетки (^-потенциал оболочки такой клетки равен 0: £=0), а клетки-потомки также имеют £=0. В этом случае клетки в формирующейся микроколонии, а затем и макроколонии, будут упаковываться плотно. Укладка их происходит по скользящему типу относительно друг друга, не отрываясь и не разворачиваясь под углом между собой и плоскости агара (рис.1). В результате будет образовываться гладкая и плотная текстура 8-колонии.
В случае образования колонии из клетки-прародительницы, обладающей электрическим «зарядом» (£=сопв1>0), формирование колонии происходит как результирующая взаимоотталки-вающихся клеток с одинаковым электрокинетическим потенциалом, т.е. в электрически однородном поле (положительном или отрицательном). £-Потенциал клетки зависит от структуры клеточной стенки. В этом случае к силам, воздействующим на клетки, добавляются электрокинетические силы, которые в течение роста клеток не компенсируются. Увеличение числа клеток, их расхождение и ориентировка относительно друг друга ведет к накоплению диссоциирующих групп на поверхности бактерий, увеличивающих силы отталкивания на концах цепочек, т.е. их потенциал («заряд»). Здесь должно наблюдаться явление - нарушение линейности цепочки, поскольку цепочка составлена большим числом элементов (клеток). Взаимодействия между составными элементами с течением времени становятся все сложнее. Рост числа цепочек и нарушение их линейности, присутствие сил поверхностного натяжения ведет к тому, что на малой площади образующейся колонии расположение составных элементов становится хаотичным с большими свободными пространственными зонами. Формируется И-форма колонии с рыхлой текстурой составляющих элементов (клеток), шероховатой поверхностью, неровными и рваными краями.
Будет ли на практике выполняться это предположение, возможно оценить, проведя исследования колоний тех же штаммов шигелл, что и в предыдущих экспериментах. Для его проверки была выполнена серия экспериментов с колониями диссоциативных мутантов 8.йехпеп 8 и ИЛ. В данном исследовании был использован разработанный нами оригинальный метод определения электрокинетической подвижности клеток на дистиллированной воде [3]. Колонии бактерий определенной диссоциатив-
ной принадлежности (8.йехпеп 8 и ИЛ), подтвержденной методом определения в косопроходящем свете, были ре суспендированы в дистиллированной воде, а затем для клеток из отдельной колонии была измерена электрофоретическая подвижность в микроэлектрофоретической камере. Измерение £-потенциала 100 клеток вели амплитудно-частотным методом [2] (табл.).
Рис. 2. Электронно-микроскопические снимки слоев колонии 8.Аехпеп Яё данным трансмиссионной электронной микроскопии. Ув.х 17000.
В колониях 8.йехпеп 8 и Иё не все клетки имеют одинаковый поверхностный заряд - наблюдается кластерный характер группирования клеток в колонии (особенно у 8.йехпеп Иё), т.е. даже в колониях, генетически закрепленных форм бактерий (8- и И-мутантов) обнаруживается процесс диссоциации.
Электроповерхностная гетерогенность клеток (^-потенциал) из колоний
Литература
1.Пузырь А.П., Могильная О.А. Электронномикроскопическое изучение структуры колоний некоторых видов бактерий // Препринт № 88Б. Красноярск, 1988, 28 с.
2.Смирнов К. К. Способ измерения £-потенциала бактериальных клеток амплитудно-частотным методом // А.С. №281748 от 03.07.1970.
3.Патент РФ № 2199733, 2002. Способ измерения электрофоретической подвижности биологических микрообъек-тов./Егорова Н.Г, Голубев О. А, Кузнецов О.Ю., Слободин В. Б
УДК 616.711
ПРОБЛЕМЫ ПРОФИЛАКТИКИ ОСТЕОХОНДРОЗА ПОЗВОНОЧНИКА
ПРИ ЗАНЯТИЯХ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРОЙ И СПОРТОМ
А.Д. ЧЕРКАСОВ* **
Спорт высших достижений характеризуется околопредельными физическими и психо-эмоциональными нагрузками. Это требует максимальной эффективности работы его функциональных систем и нервномышечного аппарата, закономерно отражается на здоровье спортсменов и состоянии их позвоночника.
Ключевые слова: остеохондроз позвоночника, спорт
Для многих спортсменов проблемы позвоночника вели к окончанию их спортивной карьеры. В ряде видов спорта спастические состояния мышц возникают при тренировочной и соревновательной деятельности, вызывая снижение подвижности позвоночника и опорно-двигательного аппарата в целом и непроизводительные физические и энергетические затраты организма. Боли в спине и остеохондроз позвоночника, как болевой синдром, чаще встречаются в спорте высших достижений. Причинами развития болевых синдромов в позвоночнике у спортсменов являются неправильно построенный тренировочный процесс, недостаточная разминка перед высокоинтенсивными физическими нагрузками, форсированные объёмы работы в скоростно-
Таблица 8.Аехпегі 8 и
Характеристика штамма Распределение по £-потенциалу: *2,77 мВ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
8.Аехпеп 8 97 3
8.Аехпеп ИЛ 4 5 15 10 15 28 8 3 8 4
Таким образом, можно констатировать факт, что внутри колоний бактерий происходит активный диссоциативный процесс, который может накладывать отпечаток на формирование внешней морфологической текстуры колонии. Кроме того, определение £-потенциала клеток может служить достаточно быстрым и объективным методом определения степени диссоциации данного штамма бактерий из состава одной колонии, не прибегая к оценке диссоциативной принадлежности другими способами, например определения морфологии колонии в косопроходящем свете, который иногда дает ошибочные результаты.
При развитии популяции проявляются свойства клеток доминирующих кластеров, маскируя особенности развития клеток из субдоминирующих групп. Взаимные смены ролей и значимости доминирующих и субдоминирующих кластеров создают устойчивость популяции в окружающей среде. Динамически изменяющаяся гетерогенность клеток по различным свойствам -одна из самых сложных задач современной микробиологии.
Итогом анализа представленных исследований может быть констатация факта: какое бы ни было предпринято исследование в отношении микроорганизмов, любой параметр представления популяции на клеточном, клеточно-популяционном, популяционном уровне будет варьироваться, в большей или меньшей степени характеризуя лишь мгновенный снимок ее состояния. Реконструкция такого рода состояний практически всегда опирается на один из самых объективных показателей - число клеток микроорганизмов. Именно количество клеток (жизнеспособных клеток), подсчет их по КОЕ (колониеобразующим единицам), является основной характеристикой развивающейся популяции бактерий. Полученные данные однозначно говорят о бактериальной колонии как о сложно формирующемся и закономерно устроенном живом организме - сообществе клеток.
силовых видах спорта и т.д. Здоровый позвоночник - это ключ к спортивному долголетию. Решение проблемы профилактики и реабилитации спортсменов, имеющих проблемы с позвоночником актуален для повышения эффективности спортивной деятельности и достижения высоких результатов.
Проблема остеохондроза позвоночника касается многих, так как остеохондроз позвоночника является одним из самых распространённых заболеваний человека. По оценкам руководителя московского центра мануальной терапии А. Б. Ситтеля [8] до 70% людей в возрасте старше 40 лет страдают остеохондрозом позвоночника и нуждаются в мануальной терапии. Стратегия профилактики и лечения остеохондроза позвоночника (ОП) строится исходя из концепции Я.Ю. Попелянского о первичности дегенеративных проявлений в позвоночнике и вторичности неврологических проявлений ОП (боли в спине, пояснице и конечностях, связанные с состоянием позвоночника) [1]. В последнее десятилетие наметился серьёзный пересмотр взглядов на проблему остеохондроза позвоночника. Огромный материал, накопленный благодаря развитию диагностической техники МРТ и КТ, показал, что под термином «остеохондроз» скрывается множество отклонений, переходящих в патологию, как дегенеративного, так и воспалительного характера. Имеется множество дегенеративно-дистрофических изменений тел позвонков и межпозвонковых дисков, не вызывающих боли в спине и позвоночнике. Истончение дисков, их дегидратация, протрузии (разрывы фиброзного кольца и незначительный выход субстанции диска из-под тела позвонка), грыжи дисков (значительный выход субстанции диска в канал спинного мозга), остеофиты (костные разрастания тел позвонков), грыжи Шморля -дегенеративное разрушение плоской поверхности позвонка -гиалиновой пластины, примыкающей к диску, и погружение диска в возникшую полость), компрессионные переломы (разрушение балочной структуры тела позвонка и сокращение высоты позвонка) - неполный список дегенеративных изменений позвоночника.
Это подтверждается также рентгенологическими обследованиями, проведёнными на 50000 больных, которые показали, что у
***НИИ нормальной физиологии им. П.К.Анохина РАМН, Москва.
** Статья носит концептуальный характер, и некоторые результаты приводятся без подробного описания и статистического анализа
