Бактерии и вирусы: невидимый масштаб

В прозрачной капле воды может скрываться целый микромир. Но маленький размер не означает одинаковое устройство. Бактерия — клеточный организм, а вирус не состоит из клеток. Чтобы понять разницу, полезно пройти путь от масштаба к строению, затем к размножению и связям с другими живыми существами. Тогда слово «микроб» перестанет означать просто что-то маленькое и опасное.

1. Насколько мал невидимый мир?

Миллиметр можно рассмотреть на линейке. Для измерения клеток часто удобнее микрометр, а для многих вирусных частиц — нанометр. Обозначения: мкм и нм; в английском тексте — µm и nm. В одном миллиметре тысяча микрометров, а в одном микрометре тысяча нанометров.

Разобранный расчёт

В модели длина бактерии равна 2 мкм, а размер вирусной частицы — 100 нм. Сначала переведём значения в одинаковые единицы: 2 мкм = 2000 нм. Затем разделим: 2000 ÷ 100 = 20. Значит, выбранная длина бактерии в двадцать раз больше выбранного размера вируса. Сравниваются линейные размеры, а не объёмы или массы.

Это условные числа для тренировки, а не постоянные размеры всех бактерий и вирусов. Реальные размеры очень разнообразны. Многие вирусные частицы меньше того, что можно различить обычным световым микроскопом; их исследуют другими методами, в том числе электронной микроскопией. Существуют и необычно крупные вирусы. Поэтому правило «любой вирус всегда меньше любой бактерии» слишком категорично.

Большая иллюстрация на экране не показывает настоящий размер. При сравнении изображений нужно искать масштаб или подпись. Красивый объёмный рисунок бактерии может быть учебной моделью с условными цветами, а не фотографией через микроскоп.

2. Бактерия — самостоятельная клетка

Бактерии — одноклеточные организмы. Их клетка отделена от среды плазматической мембраной, которая регулирует обмен веществами. У большинства бактерий снаружи есть клеточная стенка, поддерживающая форму и защищающая клетку. У некоторых имеется дополнительный наружный слой. Стенка и мембрана выполняют разные задачи и не являются одним и тем же покрытием.

Внутри находится цитоплазма. В ней идут многочисленные химические процессы, необходимые для жизни. Маленькие структуры — рибосомы — участвуют в образовании белков. У бактерии есть наследственный материал, ДНК, но нет оформленного ядра, окружённого собственной оболочкой. Главная молекула ДНК располагается в определённой области цитоплазмы. Отсутствие ядра не означает отсутствие наследственной информации. Общее определение бактерий можно сопоставить с глоссарием NHGRI.

Организмы с таким общим планом строения называют прокариотами. Помимо бактерий, к ним относятся археи — отдельная большая группа. Прокариоты отличаются от эукариот, у клеток которых обычно есть оформленное ядро. Вирусы нельзя добавить в этот ряд как ещё один тип клетки: клеточного строения у них нет.

Некоторые бактерии движутся с помощью жгутиков. Но жгутик есть не у каждой бактерии. На схеме удобно показать сразу несколько признаков, однако такая собирательная модель не является портретом всех видов. Не следует искать у бактерии корень, рот, лёгкие или другие органы многоклеточного организма.

Какие формы бывают у бактерий

Бактериальные клетки бывают шаровидными, палочковидными, изогнутыми и спиральными. Шаровидные формы называют кокками. Клетки могут оставаться парами, цепочками или скоплениями после деления. Группа клеток на изображении не обязательно является одним многоклеточным организмом.

Одинаковая внешняя форма не гарантирует одинакового образа жизни. Среди палочковидных бактерий есть виды с разными свойствами. По одному рисунку палочки нельзя решить, вызывает ли она болезнь. Для определения вида и свойств нужны дополнительные исследования.

3. Питание, условия и удвоение

Бактерии встречаются в воде, почве, воздухе, на поверхности и внутри других организмов. Это не означает, что любая бактерия может жить в любых условиях. Одним нужны определённые температура и влажность, другим подходит иной набор условий. Даже соседние участки почвы могут сильно отличаться по доступности пищи и кислорода.

Многие бактерии используют готовые органические вещества. Одни получают их из остатков организмов, другие взаимодействуют с живыми хозяевами. Есть бактерии, способные создавать органические вещества из неорганических. Например, цианобактерии осуществляют фотосинтез. При этом у них нет хлоропластов: нужные процессы связаны с другими структурами клетки. Способ питания не определяется только маленьким размером.

Потребность в кислороде тоже различается. Одни бактерии используют кислород, другие живут без него; существуют формы, способные изменять работу своих процессов в зависимости от условий. Поэтому нельзя говорить, что всем бактериям обязательно нужен воздух так же, как человеку.

Частый способ размножения бактерий — деление надвое. Перед разделением клетка копирует наследственный материал. Затем из одной клетки образуются две. В модели урока каждая клетка делится один раз за шаг: 1 → 2 → 4 → 8 → 16 → 32. После трёх таких шагов из одной клетки получается восемь, после пяти — тридцать две.

Модель предполагает, что делятся все клетки, никто не погибает и ресурсов достаточно. В природе рост ограничен пищей, пространством, температурой, продуктами обмена и другими факторами. Шаг модели не равен минуте или часу: скорость зависит от вида и условий. Не стоит по этой цепочке предсказывать число бактерий в реальной еде.

Некоторые бактерии образуют устойчивые покоящиеся структуры — эндоспоры. Они помогают пережить неблагоприятные условия. Это не тот же процесс, что размножение спорами у грибов: одна бактериальная клетка не превращается таким способом в множество потомков.

4. Бактерии меняют мир вокруг нас

Бактерии и грибы участвуют в разложении органических остатков. Например, они перерабатывают вещества опавших листьев. При разложении образуются в том числе минеральные вещества, которые могут снова использовать растения. Так вещества переходят из погибших организмов обратно в окружающую среду и участвуют в круговороте.

Молочнокислые бактерии используют сахара молока и образуют молочную кислоту. Это изменяет свойства молока; подходящие культуры применяют при производстве йогурта и других кисломолочных продуктов. Производство с выбранными культурами и контролем условий отличается от случайного прокисания неизвестного продукта.

Бактерии используются в очистке сточных вод и промышленном получении различных веществ. Некоторые участвуют в образовании витаминов или служат производителями веществ для лекарств. Бактерии, живущие вместе с человеком, могут выполнять полезные функции. Но полезность одного вида не переносится автоматически на все бактерии в похожем месте.

Есть и болезнетворные бактерии, а также бактерии, вызывающие порчу продуктов. В природе и в жизни человека встречаются разные отношения. Более точный вопрос — «какой это организм, где он находится и что делает», а не «все бактерии хорошие или плохие?».

5. Почему вирусу нужна живая клетка

Вирусная частица содержит наследственный материал — ДНК или РНК — и белковую оболочку, называемую капсидом. У некоторых вирусов есть дополнительная наружная оболочка. Формы вирусных частиц различаются. Например, сложная форма бактериофага с головкой и хвостом не подходит как изображение любого вируса. См. определение вируса NHGRI.

У вирусов нет собственного клеточного устройства и рибосом для самостоятельного образования белков. Для появления новых вирусных частиц нужна подходящая клетка-хозяин. Вирус использует вещества и клеточные структуры хозяина для создания своих компонентов. Из этих компонентов собираются новые вирусные частицы. Поэтому питательных веществ без живых клеток недостаточно для размножения вируса.

Вирусы могут заражать животных, растения, грибы и другие организмы. Вирусы бактерий называются бактериофагами, или фагами. У каждого вируса есть определённый круг подходящих хозяев: фаг не становится вирусом человека только потому, что оказался рядом с человеком.

Четыре шага одной модели

1. Фаг прикрепляется к подходящей бактериальной клетке.
2. Его наследственный материал попадает внутрь; в выбранной модели наружная оболочка остаётся снаружи.
3. С участием ресурсов клетки создаются вирусные компоненты и собираются новые частицы.
4. В этой модели клетка разрушается, высвобождая потомство фага.

Это упрощённый пример одного пути размножения фага. Не все вирусы действуют точно так же и не каждый вирусный цикл немедленно разрушает клетку. Вирусы не делятся пополам как бактерии: их компоненты производятся и собираются. Зависимость от клетки объясняет обзор NHGRI о вирусах.

Вопрос «живой ли вирус?» зависит от того, какие признаки жизни берут за основу. Вирусы имеют наследственность и изменяются в ходе эволюции, но не имеют клеточного строения и не размножаются самостоятельно. Для этого урока важнее точно назвать эти свойства, чем заучить одно слово «да» или «нет». Разные критерии обсуждает Микробиологическое общество.

6. Инфекция и разумная защита

Некоторые бактерии и вирусы вызывают инфекционные болезни. Например, туберкулёз связан с бактериями, а грипп — с вирусами. Похожие симптомы не позволяют школьнику самому определить возбудителя. Диагностика и выбор лечения относятся к работе медицинских специалистов.

Антибиотики не действуют на вирусы. Врачи назначают их для лечения некоторых бактериальных инфекций. Антибиотики нарушают определённые структуры или процессы бактериальной клетки. У вирусов этих структур и процессов нет. Нужен ли антибиотик при конкретной болезни, решает медицинский специалист. Эти различия объясняет CDC.

Мытьё рук с мылом помогает удалять микробы и уменьшать передачу инфекции. Руки следует тщательно тереть не менее 20 секунд, затем ополоснуть и высушить. Это не превращает кожу в полностью стерильную поверхность. Основные сведения приведены в материале CDC о гигиене рук.

Вакцинация помогает иммунной системе заранее научиться распознавать возбудителя определённой инфекции. После вакцинации формируется иммунная память: при встрече с возбудителем организм может быстрее защититься. Вакцины существуют против некоторых вирусных и бактериальных инфекций. Степень защиты зависит от вакцины и особенностей организма. Этот принцип объясняет ВОЗ. В 1980 году было объявлено о ликвидации натуральной оспы в мире — важном результате международной программы, включавшей вакцинацию и выявление случаев. См. материал ВОЗ об оспе.

Эпидемия означает распространение болезни с числом случаев выше ожидаемого для определённой территории и времени. Пандемия охватывает очень широкие территории, страны или континенты. Эти слова описывают распространение; само слово «пандемия» не определяет тяжесть болезни у каждого заболевшего. См. определения CDC.

Три разных способа обработки

Пастеризация — контролируемая тепловая обработка, уменьшающая количество опасных микроорганизмов в продукте; она не равна полной стерилизации. Пример обработки молока описан FDA. Дезинфекция направлена на уничтожение или инактивацию многих возбудителей на объектах. Стерилизация рассчитана на устранение всех жизнеспособных микроорганизмов, включая устойчивые бактериальные споры, при проверенных условиях. Это понятия, а не домашние рецепты обработки. Различия терминов приведены в справочнике CDC.

7. Проверь ход рассуждений

Два коротких примера

«На рисунке палочка, значит опасная бактерия». Вывод не следует из наблюдения. Форма даёт лишь один признак; нужны другие данные.

«Вирус получил пищу и начал делиться». Ошибка в механизме. Новые вирусные частицы возникают с участием подходящей клетки-хозяина. В отличие от бактерии, вирус не размножается простым клеточным делением.

• «Нет ядра — нет ДНК». У бактерии есть ДНК без оформленного ядра.
• «Все микробы вызывают болезни». Многие участвуют в обычных природных процессах.
• «Число бактерий всегда удваивается каждые двадцать минут». Скорость зависит от вида и условий.
• «Спора бактерии даёт сразу много новых клеток». Эндоспора служит переживанию неблагоприятных условий.
• «Вирус размером 100 нм — любой вирус». Это выбранное значение модели.
• «Нужно уничтожить все бактерии». Это игнорирует их разнообразные роли.

Восемь вопросов и ориентиры ответа

1. Чем бактерия отличается от вируса по строению?
2. Где находится наследственный материал бактерии?
3. Почему нельзя определить опасность по форме?
4. Во сколько раз 5 мкм больше 100 нм?
5. Сколько клеток получается после четырёх идеальных удвоений одной клетки?
6. Назови две полезные роли бактерий.
7. Что требуется вирусу для появления новых частиц?
8. Чем вакцина отличается от антибиотика по назначению?

1. Бактерия — клетка; вирус неклеточный. 2. ДНК находится в цитоплазме, без оформленного ядра. 3. Похожая форма встречается у разных видов с разными свойствами. 4. 5000 ÷ 100 = 50 раз по выбранному линейному размеру. 5. Шестнадцать. 6. Например, разложение остатков и производство йогурта. 7. Подходящая живая клетка-хозяин. 8. Вакцина заранее подготавливает иммунную защиту против определённой инфекции; антибиотик используют для лечения определённых бактериальных инфекций по назначению специалиста.

Методические заметки для учителя

Тему удобно разделить на два занятия: бактериальная клетка и её роли; вирусы и значение клеточного строения. Начните с вопроса, какие утверждения можно проверить по рисунку. Попросите отделить наблюдение «видна палочка» от интерпретации «это возбудитель болезни».

В задаче о масштабе оценивайте перевод единиц до деления. Ученик должен объяснить, что сравнивает длину, а не объём. Для удвоения используйте монеты или бумажные жетоны. После трёх шагов обсудите, какие предположения позволяют получить восемь. Отмена любого предположения делает точный результат модели неприменимым к природе.

При изучении вируса предложите дополнить фразу «вирусу нужна клетка, потому что…». Ответ «чтобы питаться» слишком общий: важно участие клеточных ресурсов и систем в производстве новых частиц. Не требуйте единого мнения о «живом» статусе вирусов без определения критериев.

Работайте с изображениями, подготовленными препаратами и данными. Не предлагайте детям выращивать неизвестные микроорганизмы из окружающей среды или пробовать испорченные продукты. Задачи о здоровье проверяют понимание биологии, а не умение ставить диагноз. В языковой работе полезны пары bacterium — bacteria, virus — viruses, host cell — клетка-хозяин, cell membrane — клеточная мембрана.

Выходной билет: «Назови два различия бактерии и вируса, одну полезную роль бактерий и одно ограничение модели удвоения». Полнота причинного объяснения важнее количества запомненных болезней.

О материале

Самостоятельный учебный текст и оригинальные иллюстрации для 5 класса. Изображения созданы с помощью генерации и используются как художественные учебные модели, а не микрофотографии. Цвета и увеличение условны; масштаб указан только в числовом задании. Три окна 3D подготовлены для будущего подключения, сами сцены пока отсутствуют. Справочные ссылки доступны при наличии интернета; основной урок работает автономно.