Температура

Жизнь организмов определяется температурой больше, чем каким-либо фактором внешней среды, в связи с тем, что все организмы построены из химических компонентов и все процессы жизни происходят на основе химических реакций, подчиненных законам термодинамики. Температура действует не только на скорость химических реакций, но также является причиной структурной перестройки протеинов, фазовых перемещений жиров, изменения структуры воды. Температурная амплитуда биохимической активности относительно мала в связи со специфическими свойствами биомолекул.
Витальная температурная зона, в пределах которой осуществляется активная жизнедеятельность микроорганизмов, за некоторым исключением, укладывается в рамки от 0^o до 50-60^o С. Нижняя граница активной жизнедеятельности микроорганизмов лимитируется, прежде всего, капельно-жидкой водой, постоянным потоком которой в клетке поддерживается трехмерность белковых молекул и других структурных носителей жизни и протекающие процессы ассимиляции и диссимиляции. Поэтому кристаллизация воды в омывающих жидкостях и клетках служит критическим порогом их жизни. Однако, если верхний порог витальной зоны, который определяется тепловой коагуляцией белков, довольно узок, то нижняя граница зоны жизнедеятельности более широка и «размыта», вследствие многих прямых и косвенных адаптаций к сохранению части воды в жидком состоянии, выработавшихся у организмов в процессе эволюции. Судя по многочисленным фактам выживания микроорганизмов после глубокого охлаждения, холод не нарушает органических соединений, и при нагревании микробные тела возвращаются к жизни.
По отношению к температурным условиям микроорганизмы разделяют на мезофильные, психрофильные и термофильные (см.рис1). Деление бактерий на указанные группы довольно условно, так как температурные диапазоны их роста значительно перекрываются.

Большинство известных видов относится к мезофилам, у которых оптимальные температуры роста лежат между 3^o и 40^o, а температурный диапазон, в котором возможен рост находится между 10 и 45-50^o. типичным мезофилом является E. сoli: нижняя граница роста +10^o, верхняя +49^o, оптимальная температура +37^o при росте на богатой среде.
Психрофилы и факторы, определяющие возможнсоть роста при низких температурах. Область температур роста психрофилов лежит в пределах от –10 до +20^o и выше. В свою очередь психрофилы делятся на облигатных и факультативных.
Основное различие между подгруппами заключается в том, что облигатные психрофилы не способны к росту при температуре выше 20^o0 а верхняя температурная граница роста факультативных форм намного выше. Различаются они также и оптимальными температурными зонами роста, находящимися у облигатных психрофилов значительно ниже, чем у факультативных. Принципиальное же сходство между ними – способность к росту при 0^o и минусовых температурах.

Термофилы и механизм термофилии.

Группу термофилов делят на 4 подгруппы:

Появились публикации об обнаружении бактерий, способных расти при температуре воды 250 – 300^o С и давлении 265 атм (при этом давлении вода в жидком состоянии может находиться до 460^o С). Эти бактерии выделены из проб воды поднятых с глубины 2560 м над поверхностью Тихого океана, где предположительно они существуют в горячих струях, выбрасываемых на дне океана так называемыми «черными гейзерами». Давление в районе обнаружения бактерий около 250 атм, а температура воды может быть выше 350^o С. В связи с этим исследователи начинают переоценивать границы условий, при которых способны развиваться прокариоты. Высказывается предположение, что прокариоты могут существовать везде, где есть вода в жидком состоянии и достаточное количество питательных веществ.
Высокая температура вызывает коагуляцию структурных белков и ферментов микроорганизмов. Большинство вегетативных форм гибнет при 60 ^oС в течение 30 мин, а при 80-100^o С – через 1мин. Для сохранения жизнеспособности относительно благоприятны низкие температуры (например, ниже 0^o С), безвредные для большинства микробов. Бактерии выживают при температуре ниже -100^o С; споры бактерий и вирусы годами сохраняются в жидком азоте. Простейшие и некоторые бактерии (спирохеты, риккетсии и хламидии) менее устойчивы к температурным воздействиям.
Воздействие высоких температур широко используется в лабораторной микробиологической практике. Стерилизация (sterilis –бесплодный) объектов проводится методами автоклавирования, кипячения, тиндализации, пастеризации, фламбирования, стерилизацией сухим жаром, паром без давления.
В хирургической практике стерилизуют инструменты, растворы, перевязочный материал.

Холодоустойчивость микроорганизмов

Организмы, способные образовывать тепло внутри своего тела с помощью различных физиологических и биохимических механизмов, называют эндотермными (эндотермы), а организмы, температура тела которых полностью зависит от температуры окружающей среды, т.е. определяется внешними источниками тепла – эктотермными (эктотермы).
Многочисленные наблюдения позволяют утверждать, что при переходе от среды обитания с относительно высокой температурой к среде обитания с низкой температурой эктотермные организмы способны поддерживать свой метаболизм на необходимом для нормальной жизнедеятельности уровне, для чего в процессе эволюции у них сформировались специальные генетико-биохимические механизмы.
Поддержание постоянства метаболизма у эктотермных организмов при смене температуры обитания названо температурной компенсацией. Генетико-биохимическая адаптация эктотермных организмов к изменению температурных условий обитания достигается разными путями: регуляцией экспрессии генов, изменениями функциональной активности ферментов, заменой одних изоферментов другими, изменениями концентрации ферментов в клетках и тканях и подвижностью жидкокристаллического состояния мембран.
Патогенные бактерии при выведении из теплокровного организма попадают в окружающую среду, где температура значительно ниже и перепад ее для бактерий может составлять до 30-35^oС. С учетом узкого диапазона активности ферментов, становится понятным, что в этих изменяющихся условиях один фермент не способен функционировать. Эктотермные организмы могут синтезировать несколько форм ферментов, сходных по функции, но отличающихся молекулярной массой и приспособленностью к различным температурам. Синтез этих форм кодируeтся разными генными локусами и они называются изоферментами (изозимами).
Возможен ли рост патогенных бактерий при низких температурах? Считалось, что патогенные микроорганизмы, будучи паразитами теплокровных животных и человека, температурный оптимум которых лежит в пределах 36-39°С, не могут размножаться при низких температурах и в связи с этим не способны обитать в окружающей среде. Почти все патогенные бактерии относятся к мезофилам. Однако большое количество видов бактерий, способных вызывать болезни животных, имеют широкий температурный диапазон роста (от 0 до 43-45^oС). Например, Jersinia pestis может расти как при –2^oС, так и при +40^oС. J.pseudotuberculosis – от 0^o до 40^oС, L.monocytogenes – от 4 до 40^oС, J.interocolita - от 0,5 до 42^oС, Bac.anthracis способна к споруляции от 4 до 20 и 37^oС и размножаться при 8^oС. Возбудитель холеры размножается при 5^oС, возбудитель туберкулеза – при 20-40^oС.
Обнаружение патогенных бактерий (сальмонелл, шигелл, иерсиний, стафилококков, псевдомонад, клостридий, бацилл, листерий, клебсиелл, эшерихий, микобактерий) в почве, воде, иле, животных и растительных остатках позволяют проследить определенную закономерность: при понижении температуры ниже 20^oС и при наличии достаточной влажности жизнеспособность перечисленных бактерий увеличивается многократно. Не образующие спор бактерии не способны длительно сохраняться при низкой температуре в окружающей среде без активного роста.
Таким образом, нет сомнений в том, что большое количество видов патогенных бактерий могут размножаться при биологически низкой температуре. Однако оптимум роста таких микроорганизмов. т.е. когда скорость размножения клеток наибольшая, сдвинут все же в сторону более высоких температур (22-30^oС).
За счет чего может происходить столь длительный рост бактерий с высокой концентрацией живых клеток при низкой температуре? При низкой температуре снижаются питательные потребности бактерий, расширяется круг потребляемых субстратов, бактерии не нуждаются в добавочных факторах роста. Все эти особенности низкотемпературного метаболизма микроорганизмов позволяют им длительно размножаться в окружающей среде при низкой температуре. Нет сомнений, что в окружающей среде может сложиться такая «нужная» для того или иного возбудителя инфекции: сочетанность влажного субстрата и низкой температуры, которая повлечет за собой массивное накопление бактерий. Это нельзя не учитывать при эпизоотической оценке ситуации при той или иной инфекции.
Низкая температура оказывает существенное влияние на морфологию бактериальных клеток, выраженность поверхностных и экстракорпоральных структур, молекулярную организацию основных компонентов наружной мембраны патогенных микроорганизмов. Эти перестройки приводят к изменению свойств бактерий, связанных с патогенностью, таких как подвижность, хемотаксис, адгезивность, клеточная и тканевая инвазивность, устойчивость к бактерицидному действию сыворотки крови и фагоцитоз. Установлено, что именно низкая температура является «сигналом» для фенотипической реверсии антигенной полноценности и вирулентности микроба.
Роль низких температур в популяционной изменчивости бактерий двойная. С одной стороны, она, наряду с питательным субстратом, является направляющим и стабилизирующим фактором отбора и может при определенных условиях способствовать формированию вирулентных клонов в окружающей среде. С другой стороны, при переходе из внешней среды с ее низкой температурой в макроорганизм и наоборот, т.е. когда происходит резкая смена температуры и среды обитания (сапрофитическая и паразитическая), создается стрессовая ситуация, усиливающая гетерогенность популяции, вследствие чего увеличивается потенциальная возможность освоения новой экологической ниши.
Для факультативных паразитов, способных обитать не только в организме теплокровных, но и в окружающей среде, низкая температура столь же естественна, как и температура 37-39^oС.
Снижение температуры часто является причиной возникновения у бактерий способности к прототрофному питанию. В таких условиях проявляются сапрофитические свойства чумного микроба, позволяющие ему длительно сохраняться в окружающей среде. B. anthracis при перенесении штаммов, культивируемых на питательных лабораторных средах при температуре 37^oС, непосредственно в бурую лесную почву, где они росли при температуре 10-12^oС, они изменяли свои биохимические свойства. «Природный» субстрат и низкая температура индуцировали у B. anthracis синтез протеаз и лецитиназы, которые не свойственны микробу при высокой температуре.
Определение активности каталазы интактных микробных клеток Y.enterocolitica, L.monocitogenes, St. auereus, P.aeruginosa, E.coli, S.typhimurium , выращенных при 10 и 37^oС позволило установить, что низкая температура в 2-8 раз усиливает активность фермента – в зависимости от вида бактерий. Усиление каталазной активности при низкой температуре является общей закономерностью.
Анализ «холодовых» и «тепловых» вариантов культур по тесту коагуляции плазмы показал, что культуры, выращенные при 10^oС на МПБ коагулировали плазму в первые 30-60 мин. в то время как их «тепловые» варианты, выращенные при 37^oС, - лишь за 4-6 ч.
Температура оказывает регулирующее влияние на ряд свойств возбудителей. Основными свойствами бактерий, детерминируемыми хромосомным генетическим аппаратом, которые усиливаются при низкой температуре и реализуются на этапе инициации инфекции, являются подвижность, хемотаксис, высокий адгезивный потенциал, клеточная и тканевая инвазивность. При относительно высокой температуре обитания вне теплокровного организма эти свойства бактерий ослабляются.
При смене температуры роста обнаруживается быстрая фенотипическая и медленная генотипическая изменчивость свойств популяции патогенных микроорганизмов, связанных с патогенностью бактерий.
Под влиянием низкой температуры (6-8^oС) наблюдаются значительные изменения со стороны экстракорпоральных структур и компонентов наружной мембраны бактерий: уменьшаются размеры бактериальных клеток, формируются жгутики и не образуются фимбрии и гемагглютинины, усиливается степень агрегированности термозависимого порообразующего белка наружной мембраны, ассоциированного с пептидогликаном, формируются более длинные О-специфические полисахаридные боковые цепи ЛПС, изменятся характер полипептидного состава бактерий. Одновременно с этим увеличивается степень ненасыщенности жирных кислот бактериальных клеток.