Бактерии, краткое описание и роль в жизни планеты и человека

Бактерии существовали с самого начала истории жизни на земле. Как и вирусы, они наши вечные спутники. Они повсюду. Есть гипотезы, что бактерии впервые появились на земле примерно 4 миллиарда лет назад, и они были первыми формами жизни. Считается, что клетки, из которых состоит все живое на земле, также содержат то, что когда-то было бактериями. В этой статье описано: что такое бактерия, кратко — общие понятия о бактериях, их роль в жизни человека и экосистемы планеты в целом.

Определение бактерии кратко

Бактерии — это одноклеточные микроорганизмы, которые представляют собой одиночные клетки, не имеющие органелл или истинного ядра.

Бактерии чрезвычайно многочисленны, их общая биомасса на Земле больше, чем всех растений и животных вместе взятых. Они живут в огромных количествах почти в любой среде на Земле, от глубоководных впадин мирового океана до пищеварительного тракта человека.

Бактерии причислены к одноклеточным формам жизни, и называются прокариотами.

Прокариоты являются доминирующими живыми существами на земле, присутствуя, возможно, на протяжении трех четвертей земной истории и адаптировавшись почти ко всем доступным экологическим средам обитания.

Как группа, они демонстрируют чрезвычайно разнообразные метаболические возможности и могут использовать в качестве источника пищи почти любое органические и некоторые неорганические соединения.

Некоторые бактерии могут вызывать заболевания у людей, животных или растений, но большинство из них безвредны и являются полезными экологическими агентами, чья метаболическая деятельность поддерживает высшие формы жизни.

Без прокариотов почва не была бы плодородной, а мертвый органический материал разлагался бы гораздо медленнее.

Некоторые бактерии широко используются в приготовлении пищевых продуктов, химических веществ и медикаментозных препаратов. Исследования взаимоотношений между различными группами бактерий продолжают давать новые представления о происхождении жизни на земле и механизмах эволюции.

Бактериальная клетка

Все живые организмы на Земле состоят из двух основных типов клеток:

1. Эукариотические клетки имеют сложное строение (ядро с генетическим материалом, цитоплазма и мембрана).
2. Прокариотические клетки имеют другое строение. Аналогом ядра в этих клетках является структура, в которую входит ДНК, имеющая форму кольца, цитоплазма и клеточная стенка. Генетический материал не отделен от остальной части клетки.

Традиционно, все бактерии и археи — клетки-прокариоты. Они внешне похожи, например, у них нет внутриклеточных органелл, и они имеют круговую ДНК, но их биохимия и физиология различны.

Небольшие размеры, простая конструкция и широкие метаболические возможности бактерий позволяют им очень быстро расти и делиться, а также обитать и процветать практически в любой среде.

Количество молекул ДНК в бактериальных хромосомах колеблется примерно от 580 000 пар оснований до 9 450 000. Миксобактерия, имеет один из самых больших бактериальных геномов, содержащий свыше 13 миллионов пар оснований. Длина ее хромосомы, если ее удалить из клетки и растянуть, составляет около 1,2 мм, что поразительно, учитывая тот факт, что длина клетки составляет около 0,001 мм.

Цитоплазма бактерий содержит высокие концентрации ферментов, метаболитов и солей. В цитоплазме бактерий имеются многочисленные тела включения, или гранулы. Эти тела никогда не заключены в мембрану и служат сосудами для хранения.

Гликоген, который является полимером глюкозы, хранится как резерв углеводов и энергии. Волютин, или метахроматические гранулы, содержит полимеризованный фосфат и представляет собой форму хранения неорганического фосфата и энергии.

В бактериях гранулы для хранения образуются при благоприятных условиях роста и потребляются после того, как питательные вещества были исчерпаны из среды. Многие водные бактерии производят газовые вакуоли, которые представляют собой связанные с белками структуры, содержащие воздух и позволяющие бактериям регулировать свою плавучесть.

Разнообразие видов и строения бактерий

Хотя бактериальные клетки гораздо меньше и проще по структуре, чем эукариотические клетки, они представляют собой чрезвычайно разнообразную группу организмов, различающихся по размеру, форме, среде обитания и метаболизму.

Большая часть знаний о бактериях была получена в результате изучения болезнетворных бактерий, которые легче выделяются в чистой культуре и легче исследуются, чем многие из свободноживущих видов бактерий. Следует отметить, что многие свободноживущие бактерии сильно отличаются от бактерий, приспособленных к жизни в качестве животных-паразитов или симбионтов.

Бактерии могут принимать одну из трех основных форм:

1. сферическую (кокки);
2. палочковидную (бацилла);
3. изогнутую (вибрион, спирилла или спирохета).

Кокки — это бактерии сферической или яйцевидной формы.

Изогнутые бактерии, как следует из названия, имеют спиралевидную форму. Спириллы — это толстые, жесткие спирали. Спирохеты — это тонкие и гибкие спирали. Вибрионы представляют собой запятые с небольшим изгибом.

Бациллы — это палочковидные бактерии. Как и кокки, бациллы могут быть одиночными или располагаться вместе. Диплобациллы — это две бациллы, расположенные рядом друг с другом, а стрептобациллы — это цепочки бацилл.

Бактерии также могут иметь другие формы, такие как нитевидные (длинные и тонкие), квадратные, звездообразные и стебельчатые.

Бактерии, которые не отделяются друг от друга после деления клеток, образуют кластеры.

Например, некоторые кокки встречаются в основном парами, включая пневмококк, вызывающий бактериальную пневмонию, и гонококк, вызывающий заболевание, передающееся половым путем гонорея.

Большинство стрептококков напоминают длинную нить бусин, тогда как стафилококки образуют случайные сгустки (название стафилококки происходит от греческого слова staphyle, что означает гроздь винограда).

Кроме того, некоторые кокковые бактерии встречаются в виде квадратных или кубических пакетов. Палочковидные бациллы обычно встречаются поодиночке, но некоторые штаммы образуют длинные цепочки, такие как палочки коринебактерий, нормальных обитателей полости рта, которые часто прикрепляются друг к другу под произвольными углами. Некоторые бациллы имеют заостренные концы, в то время как другие имеют квадратные концы, а некоторые стержни изогнуты в форме запятой.

Бактерии — самые маленькие живые существа.

Бактерия среднего размера, например, палочковидная кишечная палочка, нормальный обитатель кишечного тракта человека и животных — имеет длину около 2 микрометров (мкм; миллионные доли метра) и диаметр 0,5 мкм, а сферические клетки золотистого стафилококка — до 1 мкм в диаметре.

Некоторые виды бактерий еще меньше, например Mycoplasma pneumoniae, ее размеры колеблются от 0,1 до 0,25 мкм в ширину, и примерно от 1 до 1,5 мкм в длину.
Палочковидная Bordetella pertussis, которая является возбудителем коклюша, колеблется от 0,2 до 0,5 мкм в диаметре и от 0,5 до 1 мкм в длину.

Штопоровидная Treponema pallidum, которая является возбудителем сифилиса, в среднем составляет всего 0,1 — 0,2 мкм в диаметре и от 6 до 15 мкм в длину.

Некоторые бактерии относительно крупные, имеют диаметр от 2 до 5 мкм и более, а максимальная ширина — 5 мкм и максимальная длина — 100 мкм в зависимости от вида.

Есть и гигантские бактерии, размеры в среднем составляют 750 мкм в диаметре, и палочковидная бактерия, длина которой колеблется от 30 до 600 мкм.

Многие бактериальные клетки выделяют некоторый внеклеточный материал в виде капсулы или слизистого слоя.

Слой слизи слабо связан с бактерией и может быть легко смыт, тогда как капсула плотно прикреплена к бактерии и имеет определенные границы.

Капсулы можно увидеть под световым микроскопом. Большинство капсул являются гидрофильными (водолюбивыми) и могут помочь бактерии избежать высыхания (обезвоживания), предотвращая потерю воды.

Капсулы делают бактериальные поверхностные компоненты более скользкими, помогая бактерии избежать поглощения фагоцитарными клетками.

Многие бактерии подвижны, способны плавать в жидкой среде, скользить по твердой поверхности.

Плавающие и скользящие бактерии обладают жгутиками, которые являются внеклеточными придатками, необходимыми для моторики.

Жгутики — это длинные спиралевидные нити, состоящие из одного типа белка и расположенные либо на концах палочковидной клетки, либо по всей ее поверхности.

Бактерии не только способны плавать или скользить в более благоприятных условиях, но и имеют придатки, которые позволяют им прилипать к поверхностям и не смываться текучими жидкостями.

Биотипы бактерий

Тот факт, что патогенные бактерии постоянно борются с иммунной системой своего хозяина, может объяснять ошеломляющее количество различных штаммов или типов бактерий, принадлежащих к одному и тому же виду. Им присуща мутация.

Для многих видов бактерий существуют тысячи различных штаммов, называемых сероварами, которые отличаются друг от друга главным образом антигенной идентичностью их липополисахаридов, жгутиков или капсул.

Различные серовары (например, штаммы кишечных бактерий, таких как кишечная палочка и сальмонелла кишечная) заселяясь в различных хозяев (животных или человека) вызывают различные заболевания. Образование этих многочисленных сероваров повышает способность бактерий эффективно реагировать на интенсивные защитные действия иммунной системы организмов.

Способы размножения бактерий и рост их популяций кратко

Большинство прокариот размножаются в процессе бинарного деления, при котором клетка растет в объеме, пока не разделится пополам, чтобы получить две идентичные дочерние клетки.

Каждая дочерняя клетка может продолжать расти с той же скоростью, что и ее родитель. Чтобы этот процесс происходил, клетка растет по всей своей поверхности до момента ее деления.

Группа бактерий окружающей среды размножается почкованием.

В этом процессе на одном конце материнской клетки или на нитях, называемых протезами, образуется маленький бутон. По мере роста размер материнской клетки остается примерно постоянным, но почка увеличивается. Когда почка примерно такого же размера, как материнская клетка, она отделяется.

Многие бактерии окружающей среды способны производить стабильные спящие, или покоящиеся формы в качестве ветви (вегетативной клетки) своего жизненного цикла, чтобы повысить их выживание в неблагоприятных условиях. Этот процесс называется споруляцией.

Он не является обязательной стадией жизненного цикла клетки, а скорее прерыванием ее жизни. Такие спящие формы называются эндоспорами, цистами или гетероцистами в зависимости от способа образования спор, который различается между группами бактерий.

Образование спор происходит в ответ на недостаток питательных веществ. Следовательно, эндоспоры не обладают метаболической активностью до тех пор, пока не станут доступны питательные вещества, в это время они способны дифференцироваться из спор в вегетативные клетки.

Во время спорообразования внутри каждой бактериальной клетки образуется только одна спора. Каждая спора заключена в споровую оболочку, обладающую кератиноподобными свойствами, которые способны противостоять смертельному воздействию тепла, высыхания (обезвоживания), замерзания, химических веществ и радиации.

Рост бактериальных культур определяется увеличением числа бактерий в популяции, а не размером отдельных клеток. Рост бактериальной популяции происходит геометрическим или экспоненциальным образом: с каждым циклом деления (генерацией) одна клетка дает начало 2 клеткам, затем 4 клеткам, затем 8 клеткам, затем 16, затем 32 и так далее.

Время генерации, которое варьируется у разных бактерий, зависит от многих условий окружающей среды и от природы бактериальных видов.

Например, одна из самых быстрорастущих бактерий, имеет оптимальное время генерации около 10 минут, а медленно растущая микобактерия туберкулеза имеет время генерации в диапазоне от 12 до 16 часов. При оптимальных условиях максимальная популяция некоторых видов бактерий в конце фазы размножения может достигать плотности от 10 до 30 миллиардов клеток на миллилитр.

Некоторые исследователи предположили, что некоторые популяции бактерий, живущих глубоко под поверхностью Земли, могут расти чрезвычайно медленными темпами, размножаясь только один раз в несколько тысяч лет.

За фазой роста бактерий следует стационарная фаза, в которой размер популяции бактерий остается постоянным, хотя некоторые клетки продолжают делиться, а другие начинают умирать. За стационарной фазой следует фаза смерти, в которой гибель клеток в популяции превышает образование новых клеток.

Продолжительность времени до наступления фазы смерти зависит от вида и среды обитания.

Среда обитания

Распространение в природе

Прокариоты повсеместно распространены на поверхности земли. Они встречаются в любой доступной среде, от полярных льдов до бурлящих горячих источников, от горных вершин до дна океана, от тел растений и животных до лесных почв. Некоторые бактерии могут расти в почве или в воде при температурах, близких к замерзанию (0 °C), тогда как другие процветают в воде при температурах, близких к кипению (100 °C).

Каждая бактерия приспособлена к жизни в определенной экологической нише, будь то океанические поверхности, грязевые отложения, почва или поверхности другого организма. Уровень бактерий в воздухе низок. В незагрязненных природных водоемах количество бактерий может исчисляться тысячами на миллилитр, в плодородной почве — миллионами на грамм, а в фекалиях — миллиардами на грамм.

Роль бактерий в органическом разложении является частью процесса удаления нежелательных биологических материалов из свалок и воды.

Прокариоты, само их количество играет, огромную роль в метаболизме веществ — иногда полезную, иногда вредную. Некоторые виды бактерий успешно разлагают природные и многие синтетические вещества. Например, органические отходы в сточных водах или компостных кучах превращаются бактериями либо в подходящие питательные вещества для метаболизма растений, либо в метан и углекислый газ.

Остатки всех органических веществ, включая растения и животных, в итоге превращаются в почву и газы.

Элементы, которые являются центральными для жизни, такие как углерод, азот и сера, превращаются бактериями из неорганических газообразных соединений в формы, которые могут быть использованы растениями и животными.

Питание и рост бактерий

Бактерии резко отличаются по условиям, которые необходимы для их оптимального роста. С точки зрения потребностей в питании, все клетки нуждаются в источниках углерода, азота, серы, фосфора, многочисленных неорганических солей (например, калия, магния, натрия, кальция и железа) и большого количества других элементов, называемых микроэлементами (например, цинка, меди, марганца, селена, вольфрама и молибдена).

Бактерии также нуждаются в энергии.

Некоторые бактерии являются облигатными паразитами и растут только внутри живой клетки-хозяина. Например, хламидии, растут в эукариотических клетках человека или животного. Многие бактерии из природных сред существуют в тандеме с другими бактериями, и их трудно изолировать и культивировать отдельно от других членов этого партнерства.

Вода — это фундаментальное требование для жизни. Некоторые бактерии предпочитают соленую среду и поэтому называются галофилами. Такие бактерии встречаются в Мертвом море, в соляных рассолах и грязях. В этой стрессовой среде немногие формы жизни, кроме бактерий, могут выжить.

Важная роль, которую играют бактерии в жизни человека

Различные бактерии придают пищевым продуктам различные вкусовые качества и характеристики.

Некоторые бактерии превращают молоко в полезные молочные продукты, такие как пахта, йогурт и сыр. Другие виды бактерий уже давно используются в приготовлении и консервировании различных пищевых продуктов, полученных путем бактериального брожения, включая маринованные продукты, квашеную капусту и оливки.

Токсины многих патогенных бактерий, которые передаются в пищу, могут вызвать пищевое отравление при попадании внутрь организмов. К ним относятся токсин, вырабатываемый золотистым стафилококком, который вызывает быстрое, тяжелое, но ограниченное расстройство желудочно-кишечного тракта, или токсин ботулизма, который часто смертелен.

Бактерии часто используют, как средства борьбы с патогенными бактериальными инфекциями Например, пробиотики, это безвредные бактерии, которые препятствуют размножению патогенных бактерий. В других случаях для лечения инфекций использует бактериофаги, вирусы, которые убивают бактерии-патогены.

Бактериальные заболевания

Бактериальные заболевания играли доминирующую роль в истории человечества. Широко распространенные эпидемии холеры и чумы сократили численность населения в некоторых районах мира более чем на треть. Бактериальная пневмония, часто была основной причиной смерти в пожилом возрасте. Возможно, больше армий было побеждено тифом, дизентерией и другими бактериальными инфекциями, чем силой оружия.

Благодаря современным достижениям в области сантехники и санитарии, разработке бактериальных вакцин и открытию антибактериальных антибиотиков частота бактериальных заболеваний снизилась. Однако бактерии не исчезли как инфекционные агенты, поскольку они продолжают эволюционировать, создавая более вирулентные штаммы и приобретая устойчивость ко многим антибиотикам.

Большинство бактерий полезны или даже необходимы для жизни на Земле, но некоторые из них известны своим пагубным воздействием на человека.

Большинство бактерий, контактирующих с живыми организмами, быстро уничтожаются защитными силами хозяина. Полости рта, кишечный тракт и кожа колонизированы огромным количеством специфических типов бактерий, которые приспособлены к жизни в этих средах обитания.

Эти организмы безвредны в нормальных условиях и становятся опасными только в том случае, если они каким-то образом проходят через барьеры организма и вызывают инфекцию.

Некоторые бактерии называются патогенами, так как являются возбудителями болезней. Патогенные микроорганизмы действуют на определенные части тела, например:

• менингококковые бактерии (Neisseria meningitidis), которые вторгаются и раздражают мозговые оболочки, мембраны, окружающие головной и спинной мозг;
• дифтерийная бактерия (Corynebacterium diphtheriae), которая первоначально заражает горло;
• холерная бактерия (Vibrio cholerae), которая размножается в кишечном тракте, где токсин, который она производит, вызывает сильную диарею.

Другие бактерии, которые могут заразить человека:

• стафилококковые бактерии (в первую очередь золотистый стафилококк), которые могут вызвать воспаление кожи, например — фурункулез,
• попадая в кровоток, чтобы вызвать заражение крови,
• попадая в сердечные клапаны, чтобы вызвать эндокардит,
• в кости, чтобы вызвать остеомиелит.

Некоторые патогенные бактерии образуют участки в организме хозяина, где они закрыты и защищены от иммунной системы, как это происходит в фурункулах на коже, образованных стафилококками, и полостях в легких, образованных микобактериями туберкулеза.

Во многих случаях симптомы бактериальных инфекций на самом деле являются результатом чрезмерной реакции иммунной системы, а не производства токсических факторов бактерией.

Заключение

Бактерии играют важную роль в жизни всей планеты, ее экосистемы, и, конечно, в жизни человека, в его эволюции. Без них мы бы просто не существовали в том виде, в котором знаем себя. Изучая эти удивительные микроорганизмы, и правильно сосуществуя с ними в нашей жизни, мы можем решить многие проблемы со здоровьем, с чистотой в нашем доме, да и на всей Земле.

Вам также будет интересно!

Общие понятия об иммунитете

Виды иммунитета человека

Из чего состоит иммунная система

Что такое иммунные клетки

Как узнать какой у меня иммунитет

8 продуктов для поддержания иммунитета осенью и зимой