МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 5, с. 633-643
= ОБЗОР
УДК 579.811.083.18(047+091)
ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ
© 2004 г. В. М. Горленко
Институт микробиологии РАН им. С.Н. Виноградского, Москва Поступила в редакцию 17.05.2004 г.
В обзоре в историческом аспекте рассматриваются тенденции в изучении аноксигенных фототроф-ных бактерий (АФБ) с момента их открытия по настоящее время. Отмечается вклад сотрудников Института микробиологии РАН в изучение филогении, экологии и морфофизиологического разнообразия АФБ. В настоящее время в экологии и таксономии решающую роль играют молекулярно-биологические подходы. На этом фоне наиважнейшей задачей современного этапа развития микробиологии является сохранение преемственности исторически сформированных классических подходов в изучение биоразнообразии АФБ.
Ключевые слова: аноксигенные фототрофные бактерии, история изучения АФБ, биоразнообразие, филогения, молекулярная экология.
В настоящее время сформировалось представление об аноксигенных фотосинтезирующих бактериях (АФБ), как о прокариотных микроорганизмах, способных осуществлять фотосинтез при участии хлорофильных пигментов без выделения кислорода. В эту физиологическую группу объединены генетически и эволюционно удаленные эу-бактерии: пурпурные бактерии и аэробные бакте-риохлорофилл-а содержащие бактерии (АБХ-а), зеленые серобактерии, нитчатые несерные зеленые бактерии, а также гелиобактерии [1].
Со времени открытия окрашенных серобактерий Эринбегром в 1835 г. [2] и по сей день содержащие хлорофиллы бактерии привлекали внимание исследователей. Фокус внимания к фотосин-тезирующим бактериям менялся в историческом аспекте, но интерес к этой группе микроорганизмов постоянно нарастал. В истории изучения фотосинтезирующих бактерий можно отметить несколько периодов, для каждого из которых характерна определенная стратегия поиска новых форм микроорганизмов. Специфика стратегии на определенном временном этапе обуславливалась уровнем знаний, а ее реализация зависела от методической и технической оснащенности.
Значительные события в области изучения фотосинтезирующих бактерий связаны с именами крупных ученых, с проявлением их таланта, интуиции или же упорства, а также с внедрением в исследовательскую практику принципиально новых методов. Обнаружение новых микроорганизмов не редко в корне меняло представление о свойствах всей группы фотосинтезирующих бактерий и давало импульс новым направлениям исследований.
Фотосинтезирующие бактерии являются классическими объектами в работах микробиологов, биохимиков, биофизиков и генетиков. Вклад этих бактерий в развитие учения о природе прокариотных микроорганизмов чрезвычайно велик. История их изучения тесно переплетается с историей всей бактериологии и затрагивает практически все значимые общебиологические проблемы: морфогенез, рост и развитие, клеточное строение, функционирование клеточных структур, механизм биоконверсии солнечной энергии, автотро-фия и литотрофия, азотфиксация, регуляция метаболизма, экстремофилия, экология, эволюция органического мира и ряд других проблем.
Ученые Института микробиологии РАН на каждом из исторических этапов внесли существенный вклад в развитие представлений об экологии фотосинтезирующих бактерий, их таксономическом и физиологическом разнообразии.
Для первого, начального периода (1835-1932 гг.) была характерна стратегия экстенсивного исследования типичных для окрашенных серобактерий местообитаний и наблюдение микроорганизмов in situ. Инструментом исследования был, главным образом, световой микроскоп. При прямом мик-роскопировании природных образцов и культур накопления были получены первые сведения о морфологическом разнообразии пурпурных серобактерий и обнаружены зеленые серобактерии. Несмотря на то, что многое исследователи в накопительных культурах пурпурных серобактерий наблюдали мелкие неподвижные прямые или изогнутые клетки зеленоватого цвета, первым кто дал название зеленым серобактериям в 1906 году был академик Г.А. Надсон [3].Из грязи Сакского
озера им получены накопительные культуры зеленых серобактерий, названые Chlorobium limico-la. Молиш был первым кто объединил пигментированные серные и несерные бактерии в один порядок Rhodobacteria, Molish 1907 [4].
Наблюдения над пурпурными бактериями, образующими яркие пурпурные и лиловые пятна, проводили С.Н. Виноградский, Б.Л. Исаченко, Б.В. Перфильев, А.Д. Пельш [2]. В простейших экспериментах было показано, что окрашенные серобактерии, как и бесцветные серобактерии, способны окислять сероводород и откладывать элементную серу. Отсюда был сделан вывод о физиологической общности бесцветных и окрашенных серобактерий. В первый исследовательский период были получены некоторые чистые культуры несерных пурпурных бактерий. Однако это существенным образом не повлияло на принципы строения первой таксономической системы, в основу которой были положены морфологические признаки [5] и не внесло ясности в их физиологию. Выдающийся вклад в описание многих родов и видов пурпурных серобактерий внес наш соотечественник С.Н. Виноградский [6]. И по сей день открытые им виды включаются в переиздаваемое издание всемирно признанного Определителя Берге.
Второй период исследований (1932-1957 гг.) окрашенных серобактерий связан с именем Ван Ниля (Van Niel). Главным событием этого периода было открытие нового типа бескислородного бактериального фотосинтеза [7]. Это повлекло за собой ускоренные темпы изучения пурпурных и зеленых бактерий. Благодаря разработке синтетических сред были получены чистые культуры типичных представителей всех трех групп фотосин-тезирующих бактерий. Работа с чистыми культурами знаменует качественно новый этап стратегии исследований пурпурных и зеленых бактерий. Появилась возможность проведения интенсивного изучения различных сторон метаболизма этих микроорганизмов.
В это время сформировались специализированные направления и группы исследователей, лидирующие в областях изучения механизма фотосинтеза, структуры фотосинтезирующего аппарата, пигментного состава, состава электрон-транспортной цепи, путей фиксации углекислоты и органических соединений, азотфиксации и азотного метаболизма, продукции и утилизации водорода. В меньшей степени в этот период изучался серный метаболизм.
Основы фундаментального изучения метаболизма фототрофных бактерий были заложены академиком В.Н. Шапошниковым [8] и блестяще развиты его ученицей академиком Е.Н. Кондратьевой [2], и, в свою очередь, ее учениками проф. Р.Н. Ивановским, проф. И.Н. Гоготовым,
Е.Н. Красильниковой, В. Успенской, О.И. Кеппен, Ю.В. Родионовым и др. Связи сотрудников ИНМИ РАН с группой Е.Н. Кондратьевой всегда были плодотворными и способствовали развитию физиологического направления исследований новых фототрофных бактерий.
Стратегия исследований в этот период носила интенсивный характер и не предусматривала широкого поиска новых видов пурпурных и зеленых бактерий. С 1932 по 1960 гг. было описано всего 4 новых рода и 10 новых видов фотосинтезирую-щих бактерий, что не принесло каких-либо заметных изменений в ход исследовательских событий. В итоге изучения немногочисленных тест культур пурпурных и зеленых бактерий было сформировано представление о принципиальной общности физиолого-биохимических основ у различных представителей фотосинтезирующих бактерий. Кроме того, была очерчена экологическая ниша функционирования фотосинтезирующих бактерий: наличие световой энергии, сульфида, углекислоты или органического субстрата.
Следует отметить проведенные сотрудниками нашего института пионерские исследования распространения и геохимической деятельность различных представителей фотосинтезирующих бактерий в природных экосистемах: в морях и связанных с морем водоемах, степных содовых озерах (Б.Л. Исаченко, А.Е. Крисс), в сероводородных источниках и меромиктических озерах (С.И. Кузнецов, Ю.И. Сорокин, М.В. Иванов, Н.Н. Ляликова). Эти работы заложили основу изучения функциональной экологии фотосинтезирующих бактерий, включая их участие в круговоротах углерода и серы.
Особый интерес представляет факт обнаружения Б.Л. Исаченко красной пластовой воды, в нефтяном месторождении Апшерона, содержащей пурпурные серные и несерные бактерии [2]. Это явление до сих пор не нашло должного объяснения. Позднее, из проб неокрашенной воды нагнетательных скважин, этого региона, Е.П. Розанова и А.Я. Худякова [9] выделили культуры несерных пурпурные бактерии и было высказано предположение, что эти микроорганизмы переживают в темноте, используя резервные вещества, или осуществляют сбраживание органических субстратов, присутствующих в окружающем растворе.
Существенным шагом вперед, было создание новой таксономической системы для фотосинтезирующих бактерий, опубликованной в 7-ом издании Определителя Берге [10]. Бактерии, способные к фотосинтезу были объединены в один подпорядок Rhodobacteriace и разделены на три семейства: Thiorhodaceae, Athiorhodaceae и Chlorobacte-riaceae. В основе подразделения на роды, по-прежнему, главенствовал морфологический принцип. Физиологические характеристики четко опреде-
ляли свойства семейств и входили в состав видовых признаков зеленых серобактерий и несерных пурпурных бактерий. Многие виды были включены в определитель, но все еще не были получены в чистых культурах. Это предопределило дальнейшею первоочередную стратегию выделения и исследования многочисленных видов АФБ, описанных ранее только из природных местообитаний.
Следующий, третий период (1961-1978 гг.) инициирован работами Н. Пфеннига и его учеников [11, 12]. Н. Пфенниг разработал и с успехом применил новую синтетическую среду, пригодную для накопления и выделения практически всех анаэробных фотосинтезирующих бактерий. Среда базируется на карбонатно-буферной системе, содержит улучшенный состав микроэлементов, по мере необходимости в нее добавляются факторы роста (дрожжевой экстракт, витамины, источники восстановленной серы). В зависимости от предполагаемой потребности выделяемых микроорганизмов создаются необходимые значения рН, солености, концентрации сульфи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.