В этот самый момент, человек, когда ты читаешь эти строки, ты получаешь пользу от работы бактерий. От кислорода, который мы вдыхаем, до питательных веществ, которые извлекает желудок из еды, нам нужно благодарить бактерий за процветание на этой планете. В нашем организме микроорганизмов, включая бактерий, больше, чем наших собственных клеток примерно в десять раз. По сути, мы больше микробы, чем люди.
Только недавно мы начали понемногу понимать микроскопические организмы и их влияние на нашу планету и здоровье, но история показывает, что много веков назад наши предки уже использовали мощь бактерий, ферментируя продукты питания и напитки (кто-нибудь слышал о хлебе и пиве?).
В 17 веке мы начали изучать бактерий уже непосредственно в наших телах в тесной связи с нами - во рту. Любопытство Антони ван Левенгука позволило обнаружить бактерии, когда он изучал бляшку между его собственными зубами. Ван Левенгук поэтически описал бактерий, обозначив бактериальную колонию на своих зубах как «немного белого вещества, похожего на застывшее тесто». Разместив образец под микроскопом, ван Левенгук увидел, что микроорганизмы движутся. Так они живые!
Вы должны знать, что бактерии сыграли важнейшую роль для Земли, став ключевым моментом в создании пригодного для дыхания воздуха и биологического богатства планеты, которую мы зовем домом.
В этой статье мы предоставим вам общую картину об этих крошечных, но очень влиятельных микроорганизмах. Мы рассмотрим хорошие, плохие и совершенно причудливые способы, которыми бактерии формируют историю человека и окружающей среды. Для начала рассмотрим, чем бактерии отличаются от других видов жизни.
Основы бактерий
Что ж, если бактерии незаметны невооруженному глазу, откуда мы можем знать так много о них?
Ученые разработали мощные микроскопы, чтобы взглянуть на бактерий - их размеры варьируются от одного до нескольких микрон (миллионной части метра) - и выяснить, как они соотносятся с другими формами жизни, растениями, животными, вирусами и грибками.
Как вы, возможно, знаете, клетки - это строительные кирпичики жизни, из них состоят и ткани нашего тела, и дерево, которое растет за окном. Люди, животные и растения обладают клетками с генетической информацией, заключенной в мембране под названием ядро. Эти типы клеток, которые называются эукариотическими, обладают специальными органеллами, каждая из которых выполняет уникальную работу, помогая клетке работать.
Бактерии, однако, не имеют ядер, и их генетический материал (ДНК) свободно плавает внутри клетки. У этих микроскопических клеток нет органелл и они обладают другими методами воспроизводства и передачи генетического материала. Бактерии считаются прокариотическими клетками.
- Выживают ли бактерии в среде с кислородом или без
- Их форма: палочки (bacillus), круги (cocci) или спирали (spirillum)
- Являются ли бактерии грамотрицательными или грамположительными, то есть обладают ли внешней защитной мембраной, препятствующей окрашиванию внутренностей клетки
- Как бактерии перемещаются и изучают окружающую среду (у многих бактерий есть жгутики, крошечные плетевидные структуры, которые позволяют им передвигаться в среде)
Микробиология - наука о всех типах микробов, включая бактерии, археи, грибы, вирусы и простейшие - позволяет отличать бактерии от их микробных братьев.
Похожие на бактерии прокариоты, ныне классифицирующиеся как археи, когда-то были вместе с бактериями, но когда ученые узнали о них больше, они предоставили бактериям и археям собственные категории.
Микробное питание (и миазма)
Как и людям, животным и растениям, бактериям нужна пища для выживания.
Некоторые бактерии - автотрофы - используют основные ресурсы вроде солнечного света, воды и химических веществ из окружающей среды для создания пищи (подумайте о цианобактериях, которые превращали солнечный свет в кислород в течение 2,5 миллионов лет). Другие бактерии ученые называют гетеротрофами, потому что они черпают энергию из существующих органических веществ в качестве пищи (к примеру, мертвые листья на лесной почве).
Правда в том, что то, что может быть вкусным для бактерий, будет нам противно. Они развивались, чтобы поглощать все типы продуктов, от разливов нефти и побочных продуктов ядерного распада до человеческих отходов и продуктов разложения.
Но склонность бактерий к конкретному источнику питания может принести пользу обществу. К примеру, специалисты по искусствам из Италии обратились к бактериям, которые могут поедать избыточные слои соли и клея, снижающие долговечность бесценных художественных произведений. Умение бактерий перерабатывать органические вещества также очень полезно для Земли, как в почве, так и в воде.
Исходя из ежедневного опыта, вы хорошо знакомы с запахом, который вызывают бактерии, поглощающие содержимое вашей мусорной корзины, перерабатывая остатки пищи и испуская собственные газообразные побочные продукты. Однако этим все не ограничивается. Вы также можете обвинить бактерии в том, что они вызывают эти неловкие моменты, когда вы сами испускаете газы.
Одна большая семья
Бактерии растут и образуют колонии, когда выпадает шанс. Если еда и экологические условия являются благоприятными, они размножаются и образуют липкие скопления, так называемые биопленки, чтобы выжить на разных поверхностях - от горных пород до зубов вашего рта.
У биопленок есть свои плюсы и минусы. С одной стороны, они взаимовыгодны природным объектам (мутуализм). С другой же - они могут быть серьезной угрозой. К примеру, врачи, которые лечат пациентов с медицинскими имплантатами и устройствами, серьезно озабочены биопленками, поскольку они представляют собой этакую недвижимость для бактерий. После колонизации биопленки могут вырабатывать побочные продукты, которые токсичны - а иногда и смертельны - для человека.
Как и люди в городах, клетки в биопленке сообщаются друг с другом, обмениваются информацией о продуктах питания и потенциальной опасности. Но вместо того, чтобы звонить соседям по телефону, бактерии отправляют записки с помощью химических веществ.
Также бактерии не боятся жить самостоятельно. Некоторые виды разработали интересные способы, чтобы выживать в суровых условиях. Когда еды больше нет, а условия становятся невыносимыми, бактерии консервируют себя, создавая жесткую оболочку - эндоспору, которая помещает клетку в состояние покоя и сохраняет генетический материал бактерии.
Ученые находят бактерии в таких временных капсулах, которые хранились и 100, и даже 250 миллионов лет. Это говорит о том, что бактерии могут самостоятельно храниться в течение длительного времени.
Теперь, когда мы знаем, какие возможности предоставляют колонии бактериям, давайте разберемся, как они попадают туда - путем деления и размножения.
Размножение бактерий
Как бактерии создают колонии? Как и другим формам жизни на Земле, бактериям нужно самокопироваться, чтобы выживать. Другие организмы делают это путем полового размножения, но не бактерии. Но сначала давайте обсудим, почему разнообразие - это хорошо.
Жизнь проходит естественный отбор, ну или селективные силы определенной среды позволяют одному типу процветать и размножаться больше, чем другому. Возможно, вы помните, что гены - это механизм, который инструктирует клетку, что ей делать, и определяет, какого цвета будут ваши волосы и глаза. Вы получаете гены от своих родителей. Половое размножение приводит к мутациям, или случайным изменениям в ДНК, что создает разнообразие. Чем больше генетического разнообразия, тем больше шансов, что организм сможет приспособиться к ограничениям окружающей среды.
Для бактерий воспроизводство не зависит от встречи с правильным микробом; они просто копируют собственную ДНК и делятся на две идентичных клетки. Этот процесс, называемый двоичным делением, происходит, когда одна бактерия делится на две, копируя ДНК и передавая ее обеим частям разделенной клетки.
Поскольку в конечном итоге рожденная клетка будет идентична той, из которой была рождена, такой метод размножения не самый лучший для создания разнообразного генофонда. Как же бактерии приобретают новые гены?
Оказывается, бактерии используют хитрый трюк: горизонтальный перенос генов, или обмен генетическим материалом без воспроизводства. Есть несколько способов, которые используют бактерии для этого. Один способ включает сбор генетического материала из окружающей среды вне клетки - из других микробов и бактерий (через молекулы под названием плазмиды). Другой способ - вирусы, которые используют бактерии в качестве дома. Заражая новую бактерию, вирусы оставляют генетический материал предыдущей бактерии в новой.
Обмен генетическим материалом дает бактериям гибкость к адаптации, и они адаптируются, если чувствуют стрессовые изменения в окружающей среде, такие как нехватка продовольствия или химические изменения.
Понимание того, как адаптируются бактерии, чрезвычайно важно для борьбы с ними и создания антибиотиков в медицине . Бактерии могут обмениваться генетическим материалом так часто, что порой лечение, которое работало раньше, уже не работает.
Ни высоких гор, ни большой глубины
Если задаться вопросом «где бактерии?», проще спросить «где бактерий нет?».
Бактерии обнаруживаются практически везде на Земле. Невозможно представить количество бактерий на планете одновременно, но по некоторым оценкам их число составляет (бактерий и архей вместе) 5 октиллионов - это число с 27 нулями.
Классификация видов бактерий чрезвычайно сложна по понятным причинам. Сейчас есть примерно 30 000 официально идентифицированных видов, но база знаний постоянно растет, и есть мнения, что перед нами только верхушка айсберга от всех видов бактерий.
Правда в том, что бактерии были вокруг на протяжении очень долгого времени. Они породили одни из самых древних окаменелостей, которым 3,5 миллиарда лет. Результаты научных исследований позволяют предположить, что цианобактерии начали создавать кислород примерно 2,3-2,5 миллиарда лет назад в мировом океане, насытив атмосферу Земли кислородом, которым мы дышим по сей день.
Бактерии могут выживать в воздухе, воде, почве, льде, на жаре, на растениях, в кишечнике, на коже - везде.
Некоторые бактерии являются экстремофилами, то есть могут противостоять экстремальным условиям, когда либо очень жарко или холодно, либо отсутствуют питательные вещества и химикаты, которые мы обычно ассоциируем с жизнью. Исследователи обнаружили такие бактерии в Марианской впадине, самой глубокой точке на Земле на дне Тихого океана, возле гидротермальных источников в воде и во льду. Встречаются также бактерии, которые любят высокую температуру - такие, например, окрашивают опалесцирующий бассейн в Йеллоустонском национальном парке.
Плохие (для нас)
Хотя бактерии делают важный вклад в здоровье человека и планеты, у них есть и темная сторона. Некоторые бактерии могут быть патогенными, то есть вызывать заболевания и болезни.
На протяжении истории человечества некоторые бактерии (понятно почему) получили плохую репутацию, вызвав панику и истерию. Взять, к примеру, чуму. Бактерия, вызывающая чуму - чумная палочка Yersinia pestis - не только убила более 100 миллионов человек, но и, возможно, внесла свой вклад в распад Римской империи. До появления антибиотиков, лекарств, которые способствуют борьбе с бактериальными инфекциями, их было очень сложно остановить.
Даже сегодня эти патогенные бактерии серьезно нас пугают. Благодаря выработке устойчивости к антибиотикам, бактерии, вызывающие сибирскую язву, пневмонию, менингит, холеру, сальмонеллез, ангину и прочие болезни, которые еще и остаются рядом с нами, всегда представляют опасность для нас.
Особенно верно это для золотистого стафилококка, бактерии, ответственной за стафилококковые инфекции. Эта «сверхбактерия» приводит к появлению многочисленных проблем в клиниках, поскольку пациенты весьма часто подхватывают эту инфекцию при внедрении медицинских имплантатов и катетеров.
Мы уже говорили о естественном отборе и о том, что некоторые бактерии вырабатывают разнообразные гены, которые помогают им справиться с условиями окружающей среды. Если у вас есть инфекция, и некоторые из бактерий в вашем теле отличаются от других, антибиотики могут поразить большую часть популяции бактерий. Но те бактерии, которые выживут, выработают устойчивость к лекарству и останутся, дожидаясь следующего шанса. Поэтому врачи рекомендуют завершать курс антибиотиков до конца, да и вообще обращаться к ним как можно реже, только в крайнем случае.
Биологическое оружие - еще один пугающий аспект этой беседы. Бактерий можно использовать как оружие в некоторых случаях, в частности, сибирскую язву так и использовали в одно время. Кроме того, не только люди страдают от бактерий. Отдельный вид - Halomonas titanicae - проявил аппетит к затонувшему океанскому лайнеру «Титаник», разъедая металл исторического корабля.
Конечно, бактерии могут приносить не только вред.
Героические бактерии
Давайте изучим хорошую сторону бактерий. В конце концов, эти микробы подарили нам такие вкусные продукты, как сыр, пиво, закваску и другие ферментированные элементы. Они также улучшают здоровье людей и используются в медицине.
Отдельных бактерий можно поблагодарить за формирование человеческой эволюции. Наука собирает все больше данных о микрофлоре - микроорганизмах, которые живут в наших телах, особенно в пищеварительной системе и кишечнике. Исследования показывают, что бактерии, новые генетические материалы и разнообразие, которое они приносят в наши тела, позволяют людям адаптироваться к новым источникам пищи, которые раньше не использовались.
Посмотрим на это с другой стороны: выстилая поверхность вашего желудка и кишечника, бактерии «работают» на вас. Когда вы едите, бактерии и другие микробы помогают вам разбивать и добывать питательные вещества из пищи, особенно углеводы. Чем разнообразнее бактерии, которых мы потребляем, тем больше разнообразия получают наши тела.
Хотя наши знания о наших же микробах весьма скудны, есть основания полагать, что отсутствие некоторых микробов и бактерий в организме может быть связано со здоровьем, метаболизмом и восприимчивости к аллергенам человека. Предварительные исследования на мышах показали, что метаболические заболевания вроде ожирения связаны с разнообразием и здоровой микрофлорой, а не нашей преобладающей точкой зрения «калории приходят, калории уходят».
Сейчас активно исследуются возможности внедрения определенных микробов и бактерий в организм человека, которые могут дать определенные преимущества, однако на момент написания статьи общие рекомендации по их использованию пока не были установлены.
Кроме того, бактерии сыграли важную роль в развитии научной мысли и человеческой медицины. Бактерии сыграли ведущую роль в развитии постулатов Коха 1884 года, которые привели к общему пониманию того, что болезни вызываются определенным видом микробов.
Исследователи, изучавшие бактерии, случайно открыли пенициллин - антибиотик, который спас множество жизней. Также совсем недавно в связи с этим был открыт легкий способ редактировать геном организмов, который может осуществить революцию в медицине.
По сути, мы только начинаем понимать, как извлекать пользу из нашего сожительства с этими маленькими друзьями. К тому же непонятно, кто истинный хозяин Земли: люди или микробы.
Июл 22, 2017 Геннадий
Содержание статьи
обширная группа одноклеточных микроорганизмов, характеризующихся отсутствием окруженного оболочкой клеточного ядра. Вместе с тем генетический материал бактерии (дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК) занимает в клетке вполне определенное место – зону, называемую нуклеоидом. Организмы с таким строением клеток называются прокариотами («доядерными») в отличие от всех остальных – эукариот («истинно ядерных»), ДНК которых находится в окруженном оболочкой ядре.
Бактерии, ранее считавшиеся микроскопическими растениями, сейчас выделены в самостоятельное царство Monera – одно из пяти в нынешней системе классификации наряду с растениями, животными, грибами и протистами.
Ископаемые свидетельства.
Вероятно, бактерии – древнейшая известная группа организмов. Слоистые каменные структуры – строматолиты, – датируемые в ряде случаев началом археозоя (архея), т.е. возникшие 3,5 млрд. лет назад, – результат жизнедеятельности бактерий, обычно фотосинтезирующих, т.н. сине-зеленых водорослей . Подобные структуры (пропитанные карбонатами бактериальные пленки) образуются и сейчас, главным образом у побережья Австралии, Багамских островов, в Калифорнийском и Персидском заливах, однако они относительно редки и не достигают крупных размеров, потому что ими питаются растительноядные организмы, например брюхоногие моллюски . В наши дни строматолиты растут в основном там, где эти животные отсутствуют из-за высокой солености воды или по другим причинам, однако до появления в ходе эволюции растительноядных форм они могли достигать огромных размеров, составляя существенный элемент океанического мелководья, сравнимый с современными коралловыми рифами. В некоторых древних горных породах обнаружены крохотные обугленные сферы, которые также считаются остатками бактерий. Первые ядерные, т.е. эукариотические, клетки произошли от бактерий примерно 1,4 млрд. лет назад.
Экология.
Бактерий много в почве, на дне озер и океанов – повсюду, где накапливается органическое вещество. Они живут в холоде, когда столбик термометра чуть превышает нулевую отметку, и в горячих кислотных источниках с температурой выше 90° С. Некоторые бактерии переносят очень высокую соленость среды; в частности, это единственные организмы, обнаруженные в Мертвом море . В атмосфере они присутствуют в каплях воды, и их обилие там обычно коррелирует с запыленностью воздуха. Так, в городах дождевая вода содержит гораздо больше бактерий, чем в сельской местности. В холодном воздухе высокогорий и полярных областей их мало, тем не менее они встречаются даже в нижнем слое стратосферы на высоте 8 км.
Густо заселен бактериями (обычно безвредными) пищеварительный тракт животных. Эксперименты показали, что для жизнедеятельности большинства видов они не обязательны, хотя и могут синтезировать некоторые витамины. Однако у жвачных (коров, антилоп, овец) и многих термитов они участвуют в переваривании растительной пищи. Кроме того, иммунная система животного, выращенного в стерильных условиях, не развивается нормально из-за отсутствия стимуляции бактериями. Нормальная бактериальная «флора» кишечника важна также для подавления попадающих туда вредных микроорганизмов.
СТРОЕНИЕ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ
Бактерии гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных. Толщина их обычно составляет 0,5–2,0 мкм, а длина – 1,0–8,0 мкм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов (примерно 0,3 мкм), но известны и виды длиной более 10 мкм и шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий может превышать в длину 50 мкм. На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.
Строение.
По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну – спириллы.
Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хромосомы – очень длинной кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной в одной точке к клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез . У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь – клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм – заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры – рибосомы, необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами. За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы – важные компоненты мембран эукариотической клетки.
Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода. Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают. Жгутики бактерий устроены проще и несколько иначе, чем аналогичные структуры эукариот.
Сенсорные функции и поведение.
Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких «вкусовых» рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной «вкусовой слепоте». Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды – на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка – Fe 3 O 4). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды.
МЕТАБОЛИЗМ
Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии – секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится «на голодном пайке», поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.
Питание.
Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы («сами себя питающие») не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO 2). Включая CO 2 и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH 3), нитраты (NO – 3) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты.
Гетеротрофы («питающиеся другим») используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO 2) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство прокариот, сходны с человеком.
Главные источники энергии.
Если для образования (синтеза) клеточных компонентов используется в основном световая энергия (фотоны), то процесс называется фотосинтезом , а способные к нему виды – фототрофами. Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от того, какие соединения – органические или неорганические – служат для них главным источником углерода.
Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H 2 O). При этом выделяется свободный кислород (1 / 2 O 2) и образуется водород (2H +), который, можно сказать, превращает диоксид углерода (CO 2) в углеводы. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H 2 S). В результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным.
Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют световую энергию для получения водорода из органических веществ, в частности изопропанола, но его источником у них может служить и газообразный H 2 .
Если основной источник энергии в клетке – окисление химических веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода – органические или неорганические. У первых органика дает как энергию, так и углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ, например водорода (до воды: 2H 4 + O 2 ® 2H 2 O), железа (Fe 2+ ® Fe 3+) или серы (2S + 3O 2 + 2H 2 O ® 2SO 4 2– + 4H +), а углерод – из СO 2 . Эти организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они «питаются» горными породами.
Дыхание.
Клеточное дыхание – процесс высвобождения химической энергии, запасенной в «пищевых» молекулах, для ее дальнейшего использования в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным. В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н. электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к кислороду вместе с ионами водорода – образуется вода.
Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой группы он даже ядовит. Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны присоединяются к другим неорганическим акцепторам, например нитрату, сульфату или карбонату, или (при одной из форм такого дыхания – брожении) к определенной органической молекуле, в частности к глюкозе.
КЛАССИФИКАЦИЯ
У большинства организмов видом принято считать репродуктивно изолированную группу особей. В широком смысле это означает, что представители данного вида могут давать плодовитое потомство, спариваясь только с себе подобными, но не с особями других видов. Таким образом, гены конкретного вида, как правило, не выходят за его пределы. Однако у бактерий может происходить обмен генами между особями не только разных видов, но и разных родов, поэтому правомерно ли применять здесь привычные концепции эволюционного происхождения и родства, не вполне ясно. В связи с этой и другими трудностями общепринятой классификации бактерий пока не существует. Ниже приведен один из широко используемых ее вариантов.
ЦАРСТВО MONERA
Тип I . Gracilicutes (тонкостенные грамотрицательные бактерии)
Класс 1. Scotobacteria (нефотосинтезирующие формы, например миксобактерии)
Класс 2. Anoxyphotobacteria (не выделяющие кислорода фотосинтезирующие формы, например пурпурные серные бактерии)
Класс 3. Oxyphotobacteria (выделяющие кислород фотосинтезирующие формы, например цианобактерии)
Тип II . Firmicutes (толстостенные грамположительные бактерии)
Класс 1. Firmibacteria (формы с жесткой клеткой, например клостридии)
Класс 2. Thallobacteria (разветвленные формы, например актиномицеты)
Тип III . Tenericutes (грамотрицательные бактерии без клеточной стенки)
Класс 1. Mollicutes (формы с мягкой клеткой, например микоплазмы)
Тип IV . Mendosicutes (бактерии с неполноценной клеточной стенкой)
Класс 1. Archaebacteria (древние формы, например метанобразующие)
Домены.
Недавние биохимические исследования показали, что все прокариоты четко разделяются на две категории: маленькую группу архебактерий (Archaebacteria – «древние бактерии») и всех остальных, называемых эубактериями (Eubacteria – «истинные бактерии»). Считается, что архебактерии по сравнению с эубактериями примитивнее и ближе к общему предку прокариот и эукариот. От прочих бактерий они отличаются несколькими существенными признаками, включая состав молекул рибосомной РНК (pРНК), участвующей в синтезе белка, химическую структуру липидов (жироподобных веществ) и присутствие в клеточной стенке вместо белково-углеводного полимера муреина некоторых других веществ.
В приведенной выше системе классификации архебактерии считаются лишь одним из типов того же царства, которое объединяет и всех эубактерий. Однако, по мнению некоторых биологов, различия между архебактериями и эубактериями настолько глубоки, что правильнее рассматривать архебактерии в составе Monera как особое подцарство. В последнее время появилось еще более радикальное предложение. Молекулярный анализ выявил между двумя этими группами прокариот столь существенные различия в структуре генов, что присутствие их в рамках одного царства организмов некоторые считают нелогичным. В связи с этим предложено создать таксономическую категорию (таксон) еще более высокого ранга, назвав ее доменом, и разделить все живое на три домена – Eucarya (эукариоты), Archaea (архебактерии) и Bacteria (нынешние эубактерии).
ЭКОЛОГИЯ
Две важнейшие экологические функции бактерий – фиксация азота и минерализация органических остатков.
Азотфиксация.
Связывание молекулярного азота (N 2) с образованием аммиака (NH 3) называется азотфиксацией, а окисление последнего до нитрита (NO – 2) и нитрата (NO – 3) – нитрификацией. Это жизненно важные для биосферы процессы, поскольку растениям необходим азот, но усваивать они могут лишь его связанные формы. В настоящее время примерно 90% (ок. 90 млн. т) годового количества такого «фиксированного» азота дают бактерии. Остальное количество производится химическими комбинатами или возникает при разрядах молний. Азот воздуха, составляющий ок. 80% атмосферы, связывается в основном грамотрицательным родом ризобиум (Rhizobium ) и цианобактериями. Виды ризобиума вступают в симбиоз примерно с 14 000 видов бобовых растений (семейство Leguminosae), к которым относятся, например, клевер, люцерна, соя и горох. Эти бактерии живут в т.н. клубеньках – вздутиях, образующихся на корнях в их присутствии. Из растения бактерии получают органические вещества (питание), а взамен снабжают хозяина связанным азотом. За год таким способом фиксируется до 225 кг азота на гектар. В симбиоз с другими азотфиксирующими бактериями вступают и небобовые растения, например ольха.
Цианобактерии фотосинтезируют, как зеленые растения, с выделением кислорода. Многие из них способны также фиксировать атмосферный азот, потребляемый затем растениями и в конечном итоге животными. Эти прокариоты служат важным источником связанного азота почвы в целом и рисовых чеков на Востоке в частности, а также главным его поставщиком для океанских экосистем.
Минерализация.
Так называется разложение органических остатков до диоксида углерода (CO 2), воды (H 2 O) и минеральных солей. С химической точки зрения, этот процесс эквивалентен горению, поэтому он требует большого количества кислорода. В верхнем слое почвы содержится от 100 000 до 1 млрд. бактерий на 1 г, т.е. примерно 2 т на гектар. Обычно все органические остатки, попав в землю, быстро окисляются бактериями и грибами. Более устойчиво к разложению буроватое органическое вещество, называемое гуминовой кислотой и образующееся в основном из содержащегося в древесине лигнина. Оно накапливается в почве и улучшает ее свойства.
БАКТЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Учитывая разнообразие катализируемых бактериями химических реакций, неудивительно, что они широко используются в производстве, в ряде случаев с глубокой древности. Славу таких микроскопических помощников человека прокариоты делят с грибами , в первую очередь – дрожжами, которые обеспечивают большую часть процессов спиртового брожения, например при изготовлении вина и пива. Сейчас, когда стало возможным вводить в бактерии полезные гены, заставляя их синтезировать ценные вещества, например инсулин, промышленное применение этих живых лабораторий получило новый мощный стимул.
Пищевая промышленность.
В настоящее время бактерии применяются этой отраслью в основном для производства сыров, других кисломолочных продуктов и уксуса. Главные химические реакции здесь – образование кислот. Так, при получении уксуса бактерии рода Acetobacter окисляют этиловый спирт, содержащийся в сидре или других жидкостях, до уксусной кислоты. Аналогичные процессы происходят при квашении капусты: анаэробные бактерии сбраживают содержащиеся в листьях этого растения сахара до молочной кислоты, а также уксусной кислоты и различных спиртов .
Выщелачивание руд.
Бактерии применяются для выщелачивания бедных руд, т.е. переведения из них в раствор солей ценных металлов, в первую очередь меди (Cu) и урана (U). Пример – переработка халькопирита, или медного колчедана (CuFeS 2). Кучи этой руды периодически поливают водой, в которой присутствуют хемолитотрофные бактерии рода Thiobacillus . В процессе своей жизнедеятельности они окисляют серу (S), образуя растворимые сульфаты меди и железа:CuFeS 2 + 4O 2 ® CuSO 4 + FeSO 4 . Такие технологии значительно упрощают получение из руд ценных металлов; в принципе, они эквивалентны процессам, протекающим в природе при выветривании горных пород.
Переработка отходов.
Бактерии служат также для превращения отходов, например сточных вод, в менее опасные или даже полезные продукты. Сточные воды – одна из острых проблем современного человечества. Их полная минерализация требует огромных количеств кислорода, и в обычных водоемах, куда принято сбрасывать эти отходы, его для их «обезвреживания» уже не хватает. Решение заключается в дополнительной аэрации стоков в специальных бассейнах (аэротенках): в результате бактериям-минерализаторам хватает кислорода для полного разложения органики, и одним из конечных продуктов процесса в наиболее благоприятных случаях становится питьевая вода. Остающийся по ходу дела нерастворимый осадок можно подвергнуть анаэробному брожению. Чтобы такие водоочистные установки отнимали как можно меньше места и денег, необходимо хорошее знание бактериологии.
Другие пути использования.
К другим важным областям промышленного применения бактерий относится, например, мочка льна, т.е. отделение его прядильных волокон от других частей растения, а также производство антибиотиков, в частности стрептомицина (бактериями рода Streptomyces ).
БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Бактерии приносят не только пользу; борьба с их массовым размножением, например в пищевых продуктах или в водных системах целлюлозно-бумажных предприятий, превратилась в целое направление деятельности.
Пища портится под действием бактерий, грибов и собственных вызывающих автолиз («самопереваривание») ферментов, если не инактивировать их нагреванием или другими способами. Поскольку главная причина порчи все-таки бактерии, разработка систем эффективного хранения продовольствия требует знания пределов выносливости этих микроорганизмов.
Одна из наиболее распространенных технологий – пастеризация молока, убивающая бактерии, которые вызывают, например, туберкулез и бруцеллез. Молоко выдерживают при 61–63° С в течение 30 мин или при 72–73° С всего 15 с. Это не ухудшает вкуса продукта, но инактивирует болезнетворные бактерии. Пастеризовать можно также вино, пиво и фруктовые соки.
Давно известна польза хранения пищевых продуктов на холоде. Низкие температуры не убивают бактерий, но не дают им расти и размножаться. Правда, при замораживании, например, до –25° С численность бактерий через несколько месяцев снижается, однако большое количество этих микроорганизмов все же выживает. При температуре чуть ниже нуля бактерии продолжают размножаться, но очень медленно. Их жизнеспособные культуры можно хранить почти бесконечно долго после лиофилизации (замораживания – высушивания) в среде, содержащей белок, например в сыворотке крови.
К другим известным методам хранения пищевых продуктов относятся высушивание (вяление и копчение), добавка больших количеств соли или сахара, что физиологически эквивалентно обезвоживанию, и маринование, т.е. помещение в концентрированный раствор кислоты. При кислотности среды, соответствующей pH 4 и ниже, жизнедеятельность бактерий обычно сильно тормозится или прекращается.
БАКТЕРИИ И БОЛЕЗНИ
Бактерии были открыты А.Левенгуком в конце 17 в., и еще долгое время считалось, что они способны самозарождаться в гниющих остатках. Это мешало пониманию связи прокариот с возникновением и распространением болезней, препятствуя одновременно разработке адекватных лечебных и профилактических мероприятий. Л.Пастер первым установил, что бактерии происходят только от других живых бактерий и могут вызывать определенные заболевания. В конце 19 в. Р.Кох и другие ученые значительно усовершенствовали методы идентификации этих патогенов и описали множество их видов. Для установления того, что наблюдаемое заболевание вызывается вполне определенной бактерией, до сих пор пользуются (с небольшими модификациями) «постулатами Коха»: 1) данный патоген должен присутствовать у всех больных; 2) можно получить его чистую культуру; 3) он должен при инокуляции вызывать ту же болезнь у здорового человека; 4) его можно обнаружить у вновь заболевшего. Дальнейший прогресс в этой области связан с развитием иммунологии, основы которой заложил еще Пастер (на первых порах тут много сделали французские ученые), и с открытием в 1928 А.Флемингом пенициллина.
Окрашивание по Граму.
Для идентификации болезнетворных бактерий крайне полезным оказался метод окрашивания препаратов, разработанный в 1884 датским бактериологом Х.Грамом. Он основан на устойчивости бактериальной клеточной стенки к обесцвечиванию после обработки особыми красителями. Если она не обесцвечивается, бактерию называют грамположительной, в противном случае – грамотрицательной. Это различие связано с особенностями строения клеточной стенки и некоторыми метаболическими признаками микроорганизмов. Отнесение патогенной бактерии к одной из двух данных групп помогает врачам назначить нужный антибиотик или другое лекарство. Так, бактерии, вызывающие фурункулы, всегда грамположительны, а возбудители бактериальной дизентерии – грамотрицательны.
Типы патогенов.
Бактерии не могут преодолеть барьер, создаваемый неповрежденной кожей; они проникают внутрь организма через раны и тонкие слизистые оболочки, выстилающие изнутри ротовую полость, пищеварительный тракт, дыхательные и мочеполовые пути и проч. Поэтому от человека к человеку они передаются с зараженной пищей или питьевой водой (брюшной тиф, бруцеллез, холера, дизентерия), с вдыхаемыми капельками влаги, попавшими в воздух при чихании, кашле или просто разговоре больного (дифтерия, легочная чума, туберкулез, стрептококковые инфекции, пневмония) или при прямом контакте слизистых оболочек двух людей (гонорея, сифилис, бруцеллез). Попав на слизистую оболочку, патогены могут поражать только ее (например, возбудители дифтерии в дыхательных путях) или проникать глубже, как, скажем, трепонема при сифилисе.
Симптомы заражения бактериями часто объясняют действием токсичных веществ, вырабатываемых этими микроорганизмами. Их принято подразделять на две группы. Экзотоксины выделяются из бактериальной клетки, например, при дифтерии, столбняке, скарлатине (причина красной сыпи). Интересно, что во многих случаях экзотоксины вырабатываются только бактериями, которые сами заражены вирусами, содержащими соответствующие гены. Эндотоксины входят в состав бактериальной клеточной стенки и высвобождаются лишь после гибели и разрушения патогена.
Пищевые отравления.
Анаэробная бактерия Clostridium botulinum , обычно живущая в почве и иле, – причина ботулизма. Она образует очень устойчивые к нагреванию споры, которые могут прорастать после пастеризации и копчения продуктов. В ходе своей жизнедеятельности бактерия образует несколько близких по строению токсинов, относящихся к сильнейшим из известных ядов. Убить человека может меньше 1/10 000 мг такого вещества. Эта бактерия изредка заражает фабричные консервы и несколько чаще – домашние. Выявить на глаз ее присутствие в овощных или мясных продуктах обычно невозможно. В США ежегодно регистрируется несколько десятков случаев ботулизма, смертность при которых составляет 30–40%. К счастью, ботулинотоксин – это белок, поэтому его можно инактивировать непродолжительным кипячением.
Гораздо шире распространены пищевые отравления, вызываемые токсином, который вырабатывается некоторыми штаммами золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus ). Симптомы – понос и упадок сил; смертельные исходы редки. Этот токсин – также белок, но, к сожалению, очень термостойкий, поэтому кипячением пищи его инактивировать трудно. Если продукты не сильно им отравлены, то, чтобы предотвратить размножение стафилококка, рекомендуется хранить их до употребления при температуре либо ниже 4° С, либо выше 60° С.
Бактерии рода Salmonella также способны, заражая пищу, причинять вред здоровью. Строго говоря, это не пищевое отравление, а кишечная инфекция (сальмонеллез), симптомы которой обычно возникают через 12–24 ч после попадания патогена в организм. Смертность от нее довольно высокая.
Стафилококковые отравления и сальмонеллез связаны в основном с потреблением постоявших при комнатной температуре мясных продуктов и салатов, особенно на пикниках и праздничных застольях.
Естественная защита организма.
В организме животных существует несколько «линий обороны» против патогенных микроорганизмов. Одну из них образуют белые кровяные тельца, фагоцитирующие, т.е. поглощающие, бактерии и вообще чужеродные частицы, другую – иммунная система. Обе они действуют взаимосвязанно.
Иммунная система очень сложна и существует только у позвоночных. Если в кровь животного проникает чужеродный белок или высокомолекулярный углевод, то он становится здесь антигеном, т.е. веществом, стимулирующим выработку организмом «противодействующего» вещества – антитела. Антитело – это белок, который связывает, т.е. инактивирует, специфический для него антиген, часто вызывая его преципитацию (осаждение) и удаление из кровотока. Каждому антигену соответствует строго определенное антитело.
Бактерии, как правило, тоже вызывают образование антител, которые стимулируют лизис, т.е. разрушение, их клеток и делают их более доступными для фагоцитоза. Часто можно заранее иммунизировать индивида, повысив его естественную сопротивляемость бактериальной инфекции.
Кроме «гуморального иммунитета», обеспечиваемого циркулирующими в крови антителами, существует иммунитет «клеточный», связанный со специализированными белыми кровяными тельцами, т.н. T-клетками, которые убивают бактерии при прямом контакте с ними и с помощью токсичных веществ. T-клетки нужны и для активации макрофагов – белых кровяных телец другого типа, также уничтожающих бактерии.
Химиотерапия и антибиотики.
Поначалу для борьбы с бактериями применялось очень мало лекарств (химиотерапевтических препаратов). Трудность заключалась в том, что, хотя эти препараты легко убивают микробов, зачастую такое лечение вредно для самого больного. К счастью биохимическое сходство человека и микробов, как теперь известно, все же неполное. Например, антибиотики группы пенициллина, синтезируемые определенными грибами и используемые ими для борьбы с бактериями-конкурентами, нарушают образование бактериальной клеточной стенки. Поскольку у клеток человека такой стенки нет, эти вещества губительны только для бактерий, хотя иногда они и вызывают у нас аллергическую реакцию. Кроме того, рибосомы прокариот, несколько отличные от наших (эукариотических), специфически инактивируются антибиотиками типа стрептомицина и хлоромицетина. Далее, некоторые бактерии должны сами обеспечивать себя одним из витаминов – фолиевой кислотой, а ее синтез в их клетках подавляют синтетические сульфамидные препараты. Сами мы получаем этот витамин с пищей, поэтому при таком лечении не страдаем. Сейчас против почти всех бактериальных патогенов существуют природные или синтетические лекарственные средства.
Здравоохранение.
Борьба с патогенами на уровне индивидуального больного – только один из аспектов применения медицинской бактериологии. Не менее важно изучение развития бактериальных популяций вне организма больного, их экологии, биологии и эпидемиологии, т.е. распространения и динамики численности. Известно, например, что возбудитель чумы Yersinia pestis живет в теле грызунов, служащих «природным резервуаром» этой инфекции, и переносчиками ее между животными являются блохи.Если в водоем попадают канализационные стоки, там в течение некоторого периода времени, зависящего от различных условий, сохраняют жизнеспособность возбудители ряда кишечных инфекций. Так, щелочные водохранилища Индии, где pH среды меняется в зависимости от времени года, – весьма благоприятная среда для выживания холерного вибриона (Vibrio cholerae ) ().
Информация такого рода крайне важна для работников здравоохранения, занимающихся выявлением очагов распространения болезней, прерыванием путей их передачи, осуществлением программ иммунизации и другими профилактическими мероприятиями.
ИЗУЧЕНИЕ БАКТЕРИЙ
Многие бактерии нетрудно выращивать в т.н. культуральной среде, в состав которой могут входить мясной бульон, частично переваренный белок, соли, декстроза, цельная кровь, ее сыворотка и другие компоненты. Концентрация бактерий в таких условиях обычно достигает примерно миллиарда на кубический сантиметр, в результате чего среда становится мутной.
Для изучения бактерий необходимо уметь получать их чистые культуры, или клоны, представляющие собой потомство одной-единственной клетки. Это нужно, например, для определения того, какой вид бактерии инфицировал больного и к какому антибиотику данный вид чувствителен. Микробиологические образцы, например, взятые из горла или ран мазки, пробы крови, воды или других материалов, сильно разводят и наносят на поверхность полутвердой среды: на ней из отдельных клеток развиваются округлые колонии. Отверждающим культуральную среду агентом обычно служит агар – полисахарид, получаемый из некоторых морских водорослей и почти ни одним видом бактерий не перевариваемый. Агаровые среды используют в виде «косячков», т.е. наклонных поверхностей, образующихся в стоящих под большим углом пробирках при застывании расплавленной культуральной среды, или в виде тонких слоев в стеклянных чашках Петри – плоских круглых сосудах, закрываемых такой же по форме, но чуть большей по диаметру крышкой. Обычно через сутки бактериальная клетка успевает размножиться настолько, что образует легко заметную невооруженным глазом колонию. Ее можно перенести на другую среду для дальнейшего изучения. Все культуральные среды должны быть перед началом выращивания бактерий стерильными, а в дальнейшем следует принимать меры против поселения на них нежелательных микроорганизмов.
Чтобы рассмотреть выращенные таким способом бактерии, прокаливают на пламени тонкую проволочную петлю, прикасаются ею сначала к колонии или мазку, а затем – к капле воды, нанесенной на предметное стекло. Равномерно распределив взятый материал в этой воде, стекло высушивают и два-три раза быстро проводят над пламенем горелки (сторона с бактериями должна быть обращена вверх): в результате микроорганизмы, не повреждаясь, прочно прикрепляются к субстрату. На поверхность препарата капают краситель, затем стекло промывают в воде и вновь сушат. Теперь можно рассматривать образец под микроскопом.
Чистые культуры бактерий идентифицируют главным образом по их биохимическим признакам, т.е. определяют, образуют ли они из определенных сахаров газ или кислоты, способны ли переваривать белок (разжижать желатину), нуждаются ли для роста в кислороде и т.д. Проверяют также, окрашиваются ли они специфическими красителями. Чувствительность к тем или иным лекарственным препаратам, например антибиотикам, можно выяснить, поместив на засеянную бактериями поверхность маленькие диски из фильтровальной бумаги, пропитанные данными веществами. Если какое-либо химическое соединение убивает бактерии, вокруг соответствующего диска образуется свободная от них зона.
Строение
Бактерии - очень мелкие живые организмы. Их можно видеть только под микроскопом с очень сильным увеличением. Все бактерии одноклеточные. Внутреннее строение клетки бактерий не похоже на клетки растений и животных. У них нет ни ядра, ни пластид. Ядерное вещество и пигменты имеются, но в "распыленном" состоянии. Форма разнообразна.
Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой – клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи – капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула – не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.
На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.
Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, - нуклеиновая кислота – ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.
Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.
Образование спор
Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий. Споры – не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях. Споры у бактерий служат для перенесения неблагоприятных условий. Они образуются из внутренней части содержимого клетки. При этом вокруг споры формируется новая, более плотная оболочка. Споры могут переносить очень низкие температуры (до - 273 °С) и очень высокие. Споры не погибают при кипячении воды.
Питание
Многие бактерии имеют хлорофилл и другие пигменты. Они осуществляют фотосинтез, подобно растениям (цианобактерии, пурпурные бактерии). Другие бактерии получают энергию из неорганических веществ - серы, соединений железа и других, но источник углерода, как и при фотосинтезе, - углекислый газ.
Размножение
Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее. После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.
При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес – 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.
Роль бактерий в природе. Распространение и экология
Бактерии распространены повсеместно: в водоемах, воздухе, почве. В воздухе их меньше всего (но не в местах скопления людей). В водах рек их может быть до 400 000 в 1 см 3 , а в почве - до 1 000 000 000 в 1 г. Бактерии по-разному относятся к кислороду: для одних он необходим, для других губителен. Для большинства бактерий наиболее благоприятны температуры между +4 и +40 °С. Прямой солнечный свет вызывает гибель многих бактерий.
Встречаясь в огромном количестве (число их видов достигает 2500), бактерии играют исключительно важную роль во многих природных процессах. Вместе с грибами и почвенными беспозвоночными животными они участвуют в процессах разложения растительных остатков (опадающие листья, ветки и т.п.) до перегноя. Деятельность сапрофитных бактерий приводит к образованию минеральных солей, которые усваиваются корнями растений. Клубеньковые бактерии, живущие в тканях корней мотыльковых, а также некоторые свободноживущие бактерии обладают замечательной способностью усваивать атмосферный азот, недоступный для растений. Таким образом, бактерии участвуют в круговороте веществ в природе.
Микрофлора почвы. Количество бактерий в почве чрезвычайно велико – сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв. На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков. Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора – один из факторов образования почв. Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, - ризосферной микрофлорой.
Микрофлора водоёмов. Вода – природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается. Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая – 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные. По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.
Микрофлора воздуха.
Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем
микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время
могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от
недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество
микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени
года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем
микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными
предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над
лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше
микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий,
которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.
Микрофлора организма человека.
Тело человека, даже полностью здорового,
всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с
воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том
числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто
загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные
палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов.
Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками – прекрасная среда
для развития микроорганизмов. Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная
масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция
становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках
микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с
экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном
шаре. Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце,
печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы
попадают только во время болезни.
Значение бактерий в жизни человека
Большое значение имеют процессы брожения; так называют в основном разложение углеводов. Так, в результате брожения молоко превращается в кефир и другие продукты; силосование кормов - тоже брожение. Брожение происходит и в кишечнике человека. Без соответствующих бактерий (например, кишечной палочки) кишечник нормально не может функционировать. Гниение, полезное в природе, крайне нежелательно в быту (например, порча мясных продуктов). Не всегда полезно и брожение (например, скисание молока). Чтобы продукты не портились, их солят, сушат, консервируют, держат в холодильниках. Таким образом снижают деятельность бактерий.
Патогенные бактерии
Слово «бактерии» у большинства людей ассоциируется с чем-то неприятным и с угрозой для здоровья. В лучшем случае вспоминаются кисломолочные продукты. В худшем - дисбактериоз, чума, дизентерия и прочие неприятности. А бактерии есть везде, они бывают плохие и хорошие. Что же могут скрывать микроорганизмы?
Что такое бактерии
Бактерия в переводе с греческого значит «палочка». Это название не говорит о том, что имеются в виду вредные бактерии.
Такое название им дали из-за формы. Большинство этих одиночных клеток выглядят как палочки. Также они бывают в квадратов, звездчатых клеток. В течение миллиарда лет бактерии не меняют внешний облик, могут меняться только внутренне. Они могут быть подвижные и неподвижные. Бактерия Снаружи она покрыта тонкой оболочкой. Это позволяет ей сохранять форму. Внутри клетки нет ядра, хлорофилла. Есть рибосомы, вакуоли, выросты цитоплазмы, протоплазма. Самая большая бактерия была найдена в 1999 году. Её назвали "Серая жемчужина Намибии". Бактерия и бацилла обозначают одно и то же, только имеют разное происхождение.
Человек и бактерии
В нашем организме постоянно происходит борьба, которую ведут вредные и полезные бактерии. Благодаря этому процессу, человек получает защиту от различных инфекций. Различные микроорганизмы окружают нас на каждом шагу. Они живут на одежде, летают в воздухе, они вездесущи.
Наличие бактерий во рту, а это порядка сорока тысяч микроорганизмов, защищает десна от кровотечения, от пародонтоза и даже от ангины. Если у женщины нарушается микрофлора, у неё могут начаться гинекологические заболевания. Соблюдение элементарных правил личной гигиены поможет избежать таких сбоев.
От состояния микрофлоры полностью зависит иммунитет человека. Только в желудочно-кишечном тракте находится почти 60% всех бактерий. Остальные расположились в дыхательной системе и в половой. В человеке живет порядка двух килограммов бактерий.
Появление бактерий в организме
Только что родившийся малыш имеет стерильный кишечник.
После его первого вздоха в организм попадает множество микроорганизмов, с которыми ранее он не был знаком. При первом прикладывании малыша к груди мать передает с молоком полезные бактерии, которые помогут нормализовать микрофлору кишечника. Не зря врачи настаивают на том, чтобы мать сразу после рождения своего ребенка покормила его грудью. Также они рекомендуют продлить такое кормление как можно дольше.
Полезные бактерии
Полезные бактерии бывают: молочнокислые, бифидобактерии, кишечная палочка, стрептомиценты, микоризы, цианобактерии.
Все они играют важную роль в жизни человека. Одни из них предотвращают появление инфекций, другие используют в производстве лекарственных препаратов, третьи поддерживают баланс в экосистеме нашей планеты.
Виды вредных бактерий
Вредные бактерии могут вызвать у человека ряд серьезных заболеваний. Например, дифтерию, ангину, чуму и многие другие. Они легко передаются от заразившегося человека через воздух, еду, прикосновение. Именно вредные бактерии, названия которых будут приведены ниже, портят продукты питания. От них появляется неприятный запах, происходит гниение и разложение, они вызывают заболевания.
Бактерии могут быть грамположительными, грамотрицательными, палочковидными.
Названия вредных бактерий
| Названия | Место обитания | Вред |
| Микобактерии | пища, вода | туберкулез, проказа, язва |
| Столбнячная палочка | почва, кожа, пищеварительный тракт | столбняк, мышечные спазмы, дыхательная недостаточность |
Палочка чумы (рассматривается специалистами как биологическое оружие) | только в организме человека, грызунов и млекопитающих | бубонная чума, пневмония, кожные инфекции |
| Хеликобактер пилори | слизистая оболочка желудка человека | гастрит, пептическая язва, вырабатывает цитоксины, аммиак |
| Сибироязвенная палочка | почва | сибирская язва |
| Палочка ботулизма | пища, зараженная посуда | отравление |
Вредные бактерии способны долгое время находиться в организме и всасывать полезные вещества из него. При этом они способны вызвать инфекционное заболевание.
Самые опасные бактерии
Одна из самых устойчивых бактерий - это метициллин. Его знают больше под названием «золотистый стафилококк» (Staphylococcus aureus). способен вызвать не одно, а несколько инфекционных заболеваний. Некоторые виды этих бактерий стойки к воздействию мощных антибиотиков и антисептиков. Штаммы этой бактерии могут жить в верхних отделах дыхательных путей, в открытых ранах и мочевыводящих каналах каждого третьего жителя Земли. Для человека с сильным иммунитетом это не представляет опасности.
Вредные бактерии для человека - это также патогены под названием Salmonella typhi. Они являются возбудителями острой инфекции кишечника и брюшного тифа. Такие виды бактерий, вредных для человека, опасны тем, что вырабатывают токсические вещества, которые крайне опасны для жизни. При протекании болезни происходит интоксикация организма, очень сильная лихорадка, высыпания на теле, увеличивается печень и селезенка. Бактерия очень стойка к разным внешним воздействиям. Хорошо живет в воде, на овощах, фруктах и прекрасно размножается в продуктах из молока.
К самым опасным бактериям относится также бактерия Clostridium tetan. Она вырабатывает яд под названием «столбнячный экзотоксин». Люди, которые заражаются этим патогеном, испытывают страшные боли, судороги и очень тяжело умирают. Болезнь называется столбняк. Несмотря на то что вакцину создали ещё в 1890 году, каждый год на Земле от неё умирает 60 тысяч человек.
И ещё одна бактерия, которая способна привести к смерти человека, - это Она вызывает туберкулез, который устойчив к воздействию лекарств. При несвоевременном обращении за помощью человек может умереть.
Меры профилактики распространений инфекций
Вредные бактерии, названия микроорганизмов изучают со студенческой скамьи медики всех направлений. Здравоохранение ежегодно ищет новые методы для профилактики распространения инфекций, опасных для жизни человека. При соблюдении мер профилактики не придется тратить силы на поиск новых способов борьбы с такими заболеваниями.
Для этого необходимо вовремя выявлять источник появления инфекции, определить круг заболевших и возможных пострадавших. Обязательно необходимо изолировать тех, кто заражен, и провести дезинфекцию очага заражения.
Второй этап - это уничтожение путей, через которые могут передаваться вредные бактерии. Для этого проводят соответствующую пропаганду среди населения.
Под контроль берут объекты питания, водоемы, склады с хранением продовольствия.
Каждый человек может противостоять вредным бактериям, всячески укрепляя свой иммунитет. Здоровый образ жизни, соблюдение элементарных правил гигиены, защита себя при половом контакте, использование стерильных одноразовых медицинских инструментов и оборудования, полное ограничение от общения с людьми, находящимися на карантине. При попадании в эпидемиологический район или в очаг заражения необходимо строго выполнять все требования санитарно-эпидемиологических служб. Ряд инфекций приравниваются по своему воздействию к бактериологическому оружию.
Бактерии это одноклеточные организмы, лишенные хлорофилла.
Бактерии встречаются повсеместно, населяя все среды обитания. Наибольшее количество их находится в почве на глубине до 3 км (до 3 миллиардов в одном грамме почвы). Их много в воздухе (на высоте до 12 км), в организмах животных и растений (как живых, так и мертвых), не является исключением и организм человека.
Среди бактерий встречаются неподвижные и подвижные формы. Передви-гаются бактерии с помощью одного или нескольких жгути-ков, которые располагаются на всей поверхности тела или на определенном участке.
Клетки бактерий разнообразны по форме:
- шаровидные - кокки,
- палочковидные - ба-циллы,
- в форме запятой - вибрионы,
- извитые - спириллы.
Кокки :
Монококки: это отдельно расположенные клетки.
Диплококки: это парные кокки, после деления могут образовывать пары.
Гонококк Нейссера: возбудитель гонореи
Пневмококки: возбудитель крупозной пневмонии
Менингококки: возбудитель менингита (острое воспаление мозговых оболочек)
Стрептококки: это клетки округлой формы, которые после деления образуют цепочки.
α - зеленящие стрептококки
β - гемолитические стрептококки возбудители скарлатины, ангины, фарингита…
γ - не гемолитические стрептококки
Стафилококки: это группа микроорганизмов, которая не разошлась после деления, образует огромные беспорядочные грозди.
Возбудитель: гнойничковых заболеваний, сепсиса, фурункулов, абсцессов, флегмон, мастита, пиодермита и пневмонию у новорожденных.
Сарцины: это скопление кокков в группы в виде пакетиков по 8 и более кокков.
Палочковидные:
Это бактерии цилиндрической формы, похожие на палочки размером 1-5×0,5-1 мкм, чаще располагаются одиночно.
Собственно бактерии: это палочковидные бактерии, которые не образуют споры.
Бациллы: это палочковидные бактерии, которые образуют споры.
(бацилла Коха, кишечная палочка, возбудитель сибирской язвы, синегнойная палочка, возбудитель чумы, возбудитель коклюша, возбудитель мягкого шанкра, возбудитель столбняка, возбудитель ботулизма, возбудитель…)
Вибрионы:
Это слабо изогнутые клетки, напоминающие по форме запятые размером 1-3 мкм.
Холерный вибрион: возбудитель холеры. Обитает в воде, через которую происходит заражение.
Спириллы:
Это извитые микроорганизмы в виде спирали, с одни, двумя и более спиралевидными кольцами.
Безвредные бактерии, живущие в сточных водах и запруженных водоемах.
Спирохеты:
Это тонкие длинные топоровидные бактерии, представлены тремя видами: Трепонемы, Боррелия, Лертоспира. Для человека патогенна бледная трепонема - возбудитель сифилива передается половым путем.
Строение бактериальной клетки:
Структура бактериальной клетки хорошо изучена с помощью электронной микроскопии. Бактериальная клетка состоит из оболочки, наружный слой которой называется клеточная стенка, а внутренний - цитоплазматическая мембрана, а также цитоплазмы с включениями и нуклеотидами. Имеются дополнительные структуры: капсула, микрокапсула, слизь, жгутики, пили, плазмиды;
Клеточная стенка - прочная, упругая структура, придающая бактерии определенную форму, и «сдерживающая» высокое осмотическое давление в бактериальной клетке. Она защищает клетку от дейст-вия вредных факторов внешней среды.
Наружная мембрана представлена липополисахаридами, фосфолипидами и белками. С ее внешней стороны расположен липо-полисахарид.
Между клеточной стенкой и цитоплазматической мембранами находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты.
Цитоплазматическая мембрана прилегает к внутренней по-верхности клеточной стенки бактерий и окружает наружную часть цитоплазмы бактерий. Она состоит из двойного слоя липидов, а также интегральных белков, пронизывающих ее насквозь.
Цитоплазма занимает основной объем бактериальной клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений и многочисленных мелких гранул - рибосом, ответст-венных за синтез белков. В цитоплазме имеются различные включения в виде гранул гликогена, полисахаридов, жирных ки-слот и полифосфатов.
Нуклеотид - эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в цито-плазме бактерий в виде двух нитчатой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. Обычно в бактериальной клетке содер-жится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо мо-лекулой ДНК.
Кроме нуклеотида в бактериальной клетке могут находиться внехромосомные факторы наследственности - плазмиды, пред-ставляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК и способ-ные к репликации независимо от бактериальной хромосомы.
Капсула - слизистая структура, прочно связанная с клеточной стенкой бактерий и имеющая четко очерченные внешние грани-цы. Обычно капсула состоит из полисахаридов, иногда из поли-пептидов,
Многие бактерии содержат микрокапсулу - слизистое образова-ние, выявляемое лишь при электронной микроскопии.
Жгутики бактерий определяют подвижность клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, они прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке специальными дисками, имеют большую длину, они состоят из белка - флагеллина, закрученного в виде спирали. Жгутики выяв-ляют с помощью электронного микроскопа.
Споры - своеобразная форма покоящихся грамположительных бактерий, образующихся во внешней среде при неблагопри-ятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных веществ и др.).
L-формы бактерий .
У многих бактерий при частичном или полном разрушении клеточных стенок образуются L-формы. У некоторых они возникают спонтанно. Обра-зование L-форм происходит под действием пенициллина, который нарушает синтез мукопептидов клеточной стен-ки. По морфологии L-формы разных видов бактерий сходны между собой. Они представляют шаровидные, образования различной величины: от 1-8 мкм до 250 нм, они способных, как и вирусы, прохо-дить через поры фарфоровых фильтров. Однако в отли-чие от вирусов L-формы можно выращивать на искусст-венных питательных средах, добавляя к ним пенициллин, сахара, лошадиную сыворотку. При удалении из пита-тельной среды пенициллина L-формы вновь превращают-ся в исходные формы бактерий.
В настоящее время получены L-формы протея, кишечной палочки, холерного вибриона, бруцелл, возбудителей газовой гангрены и столбняка и других микроорганизмов.
Грамположительные микроорганизмы (гр + м/о).
К ним относят : золотистый и эпидермальный стафилококк и стрептококк...
Место обитания : верхние дыхательные пути и кожа.
Резервуар : кожа, воздух, предметы ухода, мебель, постельные принадлежности, одежду.
При высушивании не погибают.
Размножение: вне человека не размножаются, но способны к размножению в продуктах питания при не правильном хранении.
Грамотрицательные микроорганизмы (гр - м /о).
К ним относят : кишечная палочка, клебсиелла, цитробактер, протей, синегнойная палочка...
Место обитания : кишечник, слизистая мочевыводящих и дыхательных путей…
Резервуар : влажная ветошь, щетки для мытья посуды, дыхательная аппаратура, влажные поверхности, лекарственные и слабые дез. растворы.
При высушивании погибают.
Размножение: накапливаются во внешней среде, в дез. растворах с заниженной концентрацией.
Передаются : воздушно-капельным и контактно-бытовым путем.