Собственно бактерии. Кто такие бактерии? Бактерии опасные и полезные, их роль в жизни человека
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
Человек и бактерии
Появление бактерий в организме
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, сибирскую язву, 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
Таблица. Вредные бактерии для человека. Названия| 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). Этот микроорганизм 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 Mycobacterium tuberculosis. 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.
Какие бывают бактерии: названия и виды
Самый древний живой организм на нашей планете. Его представители не только выжили в течение миллиардов лет, но и обладают достаточной силой, чтобы уничтожить все остальные виды на Земле. В данной статье мы рассмотрим, какие бывают бактерии.
Поговорим об их строении, функциях, а также назовем некоторые полезные и вредные виды.
Открытие бактерий
Виды бактерий в моче
Строение
Метаболизм
Размножение
Место в мире
Ранее мы с вами разобрались, какие бывают бактерии. Теперь стоит поговорить о том, какую роль они исполняют в природе.
Исследователи говорят, что бактерии - это первые живые организмы, которые появились на нашей планете. Существуют как аэробные, так и анаэробные разновидности. Поэтому одноклеточные существа способны выжить при различных катаклизмах, происходящих с Землей.
Несомненная польза бактерий заключается в ассимиляции атмосферного азота. Они задействованы в формировании плодородия почв, разрушении останков мертвых представителей флоры и фауны. Кроме этого, микроорганизмы участвуют в создании полезных ископаемых и отвечают за поддержание запасов кислорода и углекислого газа в атмосфере нашей планеты.
Всего биомасса прокариот составляет около пяти сотен миллиардов тонн. В ней хранятся более чем восемьдесят процентов фосфора, азота и углерода.
Однако на Земле существуют не только полезные, но и патогенные виды бактерий. Они вызывают множество смертельных заболеваний. Например, среди таковых находятся туберкулез, проказа, чума, сифилис, сибирская язва и многие другие. Но даже те, которые условно безопасны для жизнедеятельности человека, могут стать угрозой при снижении уровня иммунитета.
Также существуют бактерии, которые заражают зверей, птиц, рыб и растения. Таким образом, микроорганизмы не только находятся в симбиозе с более развитыми существами. Далее мы поговорим о том, какие бывают болезнетворные бактерии, а также о полезных представителях этого вида микроорганизмов.
Бактерии и человек
Еще в школе учат тому, какие бывают бактерии. 3 класс знает всякие цианобактерии и прочие одноклеточные организмы, их строение и размножение. Сейчас же мы поговорим о практической стороне вопроса.
Еще полвека назад никто и не задумывался о таком вопросе, как состояние микрофлоры в кишечнике. Все было в порядке. Питание более натуральным и здоровым, минимум гормонов и антибиотиков, меньше химических выбросов в окружающую среду.
Сегодня же в условиях плохого питания, стрессов, переизбытка антибиотиков дисбактериоз и связанные с ним проблемы выходят на лидирующие позиции. Как же врачи предлагают с этим бороться?
Один из основных ответов – это использование пробиотиков. Это специальный комплекс, который заново заселяет кишечник человека полезными бактериями.
Подобное вмешательство способно помочь при таких неприятных моментах, как пищевая аллергия, непереносимость лактозы, расстройства желудочно-кишечного тракта и прочие недомогания.
Давайте теперь коснемся того, какие полезные бактерии бывают, а также узнаем об их влиянии на здоровье.
Наиболее детально изучены и широко применяются для положительного воздействия на организм человека три вида микроорганизмов – ацидофилус, болгарская палочка и бифидобактерии.
Первые две призваны стимулировать иммунитет, а также снизить рост некоторых вредных микроорганизмов вроде дрожжей, кишечной палочки и так далее. Бифидобактерии ответственны за переваривание лактозы, выработку некоторых витаминов и снижение холестерина.
Вредные бактерии
Ранее мы с вами поговорили о том, какие бывают бактерии. Виды и названия наиболее распространенных полезных микроорганизмов были озвучены выше. Далее речь пойдет об «одноклеточных врагах» человека.
Есть такие, которые вредны только человеку, есть смертельно опасные для животных или растений. Люди научились использовать последние, в частности, для уничтожения сорняков и назойливых насекомых.
Прежде чем углубиться в то, какие бывают вредные бактерии, стоит определиться с путями их распространения. А таковых имеется очень много. Есть микроорганизмы, которые передаются с помощью зараженных и немытых продуктов, воздушно-капельным и контактным путями, через воду, почву или с помощью укусов насекомых.
Самое плохое, что всего одна клеточка, попав в благоприятную среду человеческого организма, способна в течение всего лишь нескольких часов размножиться до нескольких миллионов бактерий.
Если говорить о том, какие бывают бактерии, названия болезнетворных и полезных сложно отличить непрофессионалу. В науке для обозначения микроорганизмов используют латинские термины. В просторечье заумные слова заменяют понятиями – «кишечная палочка», «возбудители» холеры, коклюша, туберкулеза и прочие.
Превентивные меры для предупреждения заболевания бывают трех видов. Это прививки и вакцины, прерывание путей передачи (марлевые повязки, перчатки) и карантин.
Откуда берутся бактерии в моче
Какие бактерии полезны
Бактерии повсюду – подобный лозунг мы слышим с младенчества. Всеми силами мы пытаемся противостоять этим микроорганизмам, стерилизуя окружение. А нужно ли так поступать?
Существуют бактерии, которые являются защитниками и помощниками, как человека, так и окружающего мира. Эти живые микроорганизмы укрывают человека и природу миллионными колониями. Они являются активными участниками всех происходящих процессов на планете и непосредственно в организме любого живого существа. Их цель - отвечать за правильное протекание жизненных процессов и бывать повсюду, где без них не обойтись.
Огромный мир бактерий
Согласно исследованиям, проводимым регулярно учеными, в человеческом организме находится более двух с половиной килограмм разнообразных бактерий.
Все бактерии задействованы в жизненных процессах. Например, одни помогают в переваривании пищи, другие - активные помощники в производстве витаминов, третьи выступают защитниками от вредоносных вирусов и микроорганизмов.
Одной из весьма полезных живых существ, имеющихся во внешней среде, является азотфиксирующая бактерия, которая имеется в корневых клубеньках растений, выделяющих в атмосферу необходимый для дыхания человека азот.
Существуют и другая группа микроорганизмов, которая связана с перевариванием отходов органических соединений, помогающая поддерживать на надлежащем уровне плодородие почвы. К ней относятся азотфиксирующие микробы.
Лечебные и пищевые бактерии
Другие микроорганизмы принимают активное участие в процессе получения антибиотиков - это стрептомицин и тетрациклин. Эти бактерии называются Streptomyces и относятся к почвенным бактериям, которые используются в изготовлении не только антибиотиков, но и продуктов в промышленном и пищевом производстве.
Для этих пищевых отраслей широко используется бактерия Lactobacillis, которая участвует в процессах брожения. Поэтому она востребована в изготовлении йогурта, пива, сыров, вина.
Все эти представители микроорганизмов-помощников живут по своим строгим правилам. Нарушение их баланса приводит к самым негативным явлениям. Прежде всего, в организме человека вызывается дискбактериоз, последствия которого порой необратимы.
Во-вторых, все восстановительные функции человека связанные с внутренними или внешними органами, при дисбалансе полезных бактерий проходят значительно труднее. То же самое относится к группе, которая задействована в производстве продуктов питания.
Бактерии - это очень простая форма растительной жизни, которая состоит из одной живой клетки. Размножение осуществляется делением клетки. При достижении стадии зрелости бактерия делится на две равные клетки . В свою очередь каждая из этих клеток достигает зрелости и также делится на две равные клетки. В идеальных условиях бактерия достигает состояния зрелости и размножается менее чем за 20-30 минут. При такой скорости размножения одна бактерия теоретически может произвести 34 триллиона потомков за 24 часа! К счастью, жизненный цикл бактерий относительно короток и продолжается от нескольких минут до нескольких часов. Поэтому даже в идеальных условиях они не могут размножаться с такой скоростью.Скорость роста и размножения бактерий и других микроорганизмов зависит от условий окружающей среды. Температура, свет, наличие кислорода, влажность и рН-фактор (уровень кислотности или щелочности) наряду с наличием питания влияют на скорость развития бактерий. Из них особый интерес у техников и инженеров вызывает температура. Для каждой разновидности бактерий существует минимальная температура, при которой они могут развиваться. При температуре ниже данного порога бактерии впадают в спячку и не способны к воспроизводству. Точно так же для каждой разновидности бактерий существует порог максимальной температуры. При температуре выше этого предела бактерии разрушаются. Между этими пределами находится оптимальная температура, при которой бактерии размножаются с максимальной скоростью. Оптимальная температура для большинства бактерий, которые питаются пометом животных и мертвой тканью животных и растений (сапрофиты), от 24 до 30°С. Оптимальная температура для большинства бактерий, которые являются причиной инфекций и болезней носителя (патогенные бактерии), около 38°С. В большинстве случаев можно значительно снизить скорость размножения бактерий , если окружающей среды. Наконец, существует несколько разновидностей бактерий, которые лучше всего чувствуют себя при температуре воды, в то время как другие - при температуре ее замерзания.
Дополнение к изложенному выше
Происхождение, эволюция, место в развитии жизни на Земле
Бактерии наряду с археями были одними из первых живых организмов на Земле, появившись около 3,9-3,5 млрд лет назад. Эволюционные взаимоотношения между этими группами ещё до конца не изучены, есть как минимум три основные гипотезы: Н. Пэйс предполагает наличие у них общего предка протобактерии, Заварзин считает архей тупиковой ветвью эволюции эубактерий, освоившей экстремальные местообитания; наконец, по третьей гипотезе археи - первые живые организмы, от которых произошли бактерии.Эукариоты возникли в результате симбиогенеза из бактериальных клеток намного позже: около 1,9-1,3 млрд лет назад. Для эволюции бактерий характерен ярко выраженный физиолого-биохимический уклон: при относительной бедности жизненных форм и примитивном строении, они освоили практически все известные сейчас биохимические процессы. Прокариотная биосфера имела уже все существующие сейчас пути трансформации вещества. Эукариоты, внедрившись в неё, изменили лишь количественные аспекты их функционирования, но не качественные, на многих этапах элементов бактерии по-прежнему сохраняют монопольное положение.
Одними из древнейших бактерий являются цианобактерии. В породах, образованных 3,5 млрд лет назад, обнаружены продукты их жизнедеятельности - строматолиты, бесспорные свидетельства существования цианобактерий относятся ко времени 2,2-2,0 млрд лет назад. Благодаря ним в атмосфере начал накапливаться кислород, который 2 млрд лет назад достиг концентраций, достаточных для начала аэробного дыхания. К этому времени относятся образования, свойственные облигатно аэробной Metallogenium.
Появление кислорода в атмосфере нанесло серьёзный удар по анаэробным бактериям. Они либо вымирают, либо уходят в локально сохранившиеся бескислородные зоны. Общее видовое разнообразие бактерий в это время сокращается.
Предполагается, что из-за отсутствия полового процесса, эволюция бактерий идёт по совершенно иному механизму, нежели у эукариот. Постоянный горизонтальный перенос генов приводит к неоднозначностям в картине эволюционных связей, эволюция протекает крайне медленно (а, возможно, с появлением эукариот и вовсе прекратилась), зато в изменяющихся условиях происходит быстрое перераспределение генов между клетками при неизменном общем генетическом пуле.
Строение
Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть округлыми (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады), извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты), реже - звёздчатыми, тетраэдрическими, кубическими, C- или O-образными. Формой определяются такие способности бактерий, как прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ. Отмечено, например, что олиготрофы, то есть бактерии, живущие при низком содержании питательных веществ в среде, стремятся увеличить отношение поверхности к объёму, например, с помощью образования выростов (т. н. простек).Из обязательных клеточных структур выделяют три:
- нуклеоид
- рибосомы
- цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)
Строение протопласта
ЦПМ ограничивает содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды. Гомогенная фракция цитоплазмы, содержащая набор растворимых РНК, белков, продуктов и субстратов метаболических реакций, названа цитозолем. Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами.Одним из основных отличий клетки бактерий от клетки эукариот является отсутствие ядерной мембраны и, строго говоря, отсутствие вообще внутрицитоплазматических мембран, не являющихся производными ЦПМ. Однако у разных групп прокариот (особенно часто у грамположительных бактерий) имеются локальные впячивания ЦПМ - мезосомы, выполняющие в клетке разнообразные функции и разделяющие её на функционально различные части. У многих фотосинтезирующих бактерий существует развитая сеть производных от ЦПМ фотосинтетических мембран. У пурпурных бактерий они сохранили связь с ЦПМ, легко обнаруживаемую на срезах под электронным микроскопом, у цианобактерий эта связь либо трудно обнаруживается, либо утрачена в процессе эволюции. В зависимости от условий и возраста культуры фотосинтетические мембраны образуют различные структуры - везикулы, хроматофоры, тилакоиды.
Вся необходимая для жизнедеятельности бактерий генетическая информация содержится в одной ДНК (бактериальная хромосома), чаще всего имеющей форму ковалентно замкнутого кольца (линейные хромосомы обнаружены у Streptomyces и Borrelia). Она в одной точке прикреплена к ЦПМ и помещается в структуре, обособленной, но не отделённой мембраной от цитоплазмы, и называемой нуклеоид. ДНК в развёрнутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, то есть практически все прокариоты гаплоидны, хотя в определённых условиях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосомы, а Burkholderia cepacia имеет три разных кольцевых хромосомы (длиной 3,6; 3,2 и 1,1 млн пар нуклеотидов). Рибосомы прокариот также отличны от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (80 S у эукариот).
Помимо этих структур, в цитоплазме также могут находиться включения запасных веществ.
Клеточная оболочка и поверхностные структуры
Клеточная стенка - важный структурный элемент бактериальной клетки, однако необязательный. Искусственным путём были получены формы с частично или полностью отсутствующей клеточной стенкой (L-формы), которые могли существовать в благоприятных условиях, однако иногда утрачивали способность к делению. Известна также группа природных не содержащих клеточной стенки бактерий - микоплазм.У бактерий существует два основных типа строения клеточной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам.
Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщиной 20-80 нм, построенный в основном из пептидогликана с меньшим количеством тейхоевых кислот и небольшим количеством полисахаридов, белков и липидов (так называемый липополисахарид). В клеточной стенке имеются поры диаметром 1-6 нм, которые делают её проницаемой для ряда молекул.
У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2-3 нм. Он окружён наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривлённую форму. Между ЦПМ, слоем пептидогликана и внешней мембраной имеется пространство, называемое периплазматическим, и заполненное раствором, включающим в себя транспортные белки и ферменты.
С внешней стороны от клеточной стенки может находиться капсула - аморфный слой, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру. Однако между этими тремя идеализированными случаями есть множество переходных форм.
Бактериальных жгутиков может быть от 0 до 1000. Возможны как варианты расположения одного жгутика у одного полюса (монополярный монотрих), пучка жгутиков у одного (монополярный перитрих или лофотрихиальное жгутикование) или двух полюсов (биполярный перитрих или амфитрихиальное жгутикование), так и многочисленные жгутики по всей поверхности клетки (перитрих). Толщина жгутика составляет 10-20 нм, длина - 3-15 мкм. Его вращение осуществляется против часовой стрелки с частотой 40-60 об/с.
Помимо жгутиков, среди поверхностных структур бактерий необходимо назвать ворсинки. Они тоньше жгутиков (диаметр 5-10 нм, длина до 2 мкм) и необходимы для прикрепления бактерии к субстрату, принимают участие в метаболитов, а особые ворсинки - F-пили -нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10 нм х 0, 3-10 мкм), чем жгутики - необходимы клетке-донору для передачи реципиенту ДНК при конъюгации.
Размеры
Размеры бактерий в среднем составляют 0,5-5 мкм. Escherichia coli, например, имеет размеры 0,3-1 на 1-6 мкм, Staphylococcus aureus - диаметр 0,5-1 мкм, Bacillus subtilis 0,75 на 2-3 мкм. Крупнейшей из известных бактерий является Thiomargarita namibiensis, достигающая размера в 750 мкм (0,75 мм). Второй является Epulopiscium fishelsoni имеющая диаметр 80 мкм и длину до 700 мкм и обитающая в пищеварительном тракте хирурговой рыбы Acanthurus nigrofuscus. Achromatium oxaliferum достигает размеров 33 на 100 мкм, Beggiatoa alba - 10 на 50 мкм. Спирохеты могут вырастать в длину до 250 мкм при толщине 0,7 мкм. В то же время к бактериям относятся самые мелкие из имеющих клеточное строение организмов. Mycoplasma mycoides имеет размеры 0,1-0,25 мкм, что соответствует размеру крупных вирусов, например, табачной мозаики, коровьей оспы или гриппа. По теоретическим подсчётам сферическая клетка диаметром менее 0,15-0,20 мкм становится неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не помещаются все необходимые биополимеры и структуры в достаточном количестве.Однако были описаны нанобактерии, имеющие размеры меньше «допустимых» и сильно отличающиеся от обычных бактерий. Они, в отличие от вирусов, способны к самостоятельному росту и размножению (чрезвычайно медленным). Они пока мало изучены, живая их природа ставится под сомнение.
При линейном увеличении радиуса клетки её поверхность возрастает пропорционально квадрату радиуса, а объём - пропорционально кубу, поэтому у мелких организмов отношение поверхности к объёму выше, чем у более крупных, что означает для первых более активный обмен веществ с окружающей средой. Метаболическая активность, измеренная по разным показателям, на единицу биомассы у мелких форм выше, чем у крупных. Поэтому небольшие даже для микроорганизмов размеры дают бактериям и археям преимущества в скорости роста и размножения по сравнению с более сложноорганизованными эукариотами и определяют их важную экологическую роль.
Многоклеточность у бактерий
Одноклеточные формы способны осуществлять все функции, присущие организму, независимо от соседних клеток. Многие одноклеточные прокариоты склонны к образованию клеточных , часто скреплённых выделяемой ими слизью. Чаще всего это лишь случайное объединение отдельных организмов, но в ряде случаев временное объединение связано с осуществлением определённой функции, например, формирование плодовых тел миксобактериями делает возможным развитие цист, при том что единичные клетки не способны их образовывать. Подобные явления наряду с образованием одноклеточными эубактериями морфологически и функционально дифференцированных клеток - необходимые предпосылки для возникновения у них истинной многоклеточности.Многоклеточный организм должен отвечать следующим условиям:
- его клетки должны быть агрегированы,
- между клетками должно осуществляться разделение функций,
- между агрегированными клетками должны устанавливаться устойчивые специфические контакты.
Размножение бактерий
Некоторые бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное деление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящий к образованию от 4 до 1024 новых клеток). Для обеспечения необходимой для эволюции и приспособления к изменчивой окружающей среде пластичности генотипа у них существуют иные механизмы.При делении большинство грамположительных бактерий и нитчатых цианобактерий синтезируют поперечную перегородку от периферии к центру при участии мезосом. Грамотрицательные бактерии делятся путём перетяжки: на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся искривление ЦПМ и клеточной стенки внутрь. При почковании на одном из полюсов материнской клетки формируется и растёт почка, материнская клетка проявляет признаки старения и обычно не может дать более 4 дочерних. Почкование имеется у разных групп бактерий и, предположительно, возникало несколько раз в процессе эволюции.
У бактерий наблюдается и половое размножение, но в самой примитивной форме. Половое размножение бактерий отличается от полового размножения эукариот тем, что у бактерий не образуются гаметы и не происходит слияния клеток. Однако главнейшее событие полового размножения, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот процесс называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК (очень редко вся ДНК) клетки-донора переносится в клетку-реципиент, ДНК которой генетически отличается от ДНК донора. При этом перенесённая ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе замещения ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. При этом образуется ДНК, которая содержит гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У потомства или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смещением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволюции и является главным преимуществом полового размножения. Известны 3 способа получения рекомбинантов. Это - в порядке их открытия - трансформация, конъюгация и трансдукция.
И в курсе школьной программы, и в рамках специализированного университетского образования обязательно рассматривают примеры из царства бактерий. Эта древнейшая форма жизни на нашей планете появилась раньше, чем любые другие, известные человеку. Впервые, как оценивают ученые, бактерии сформировались около трех с половиной миллиардов лет тому назад, и около миллиарда лет на планете не существовало иных форм жизни. Примеры бактерий, наших врагов и друзей, обязательно рассматриваются в рамках любой образовательной программы, ведь именно эти микроскопические формы жизни делают возможными процессы, характерные нашему миру.
Особенности распространённости
Где в живом мире можно встретить примеры бактерий? Да практически везде! Они есть и в родниковой воде, и в пустынных дюнах, и элементах почвы, воздуха и скалистых пород. В антарктических льдах, к примеру, бактерии живут при морозе -83 градуса, но не мешает им и высокая температура - обнаружены формы жизни в источниках, где жидкость прогрета до +90. О плотности населения микроскопического мира говорит тот факт, что, к примеру, бактерии в грамме почвы - это неисчислимые сотни миллионов.
Бактерии могут жить на любой другой форме жизни - на растении, животном. Многие знают словосочетание «микрофлора кишечника», а по телевизору постоянно рекламируют продукты, которые ее улучшают. Фактически она, к примеру, бактериями как раз и сформирована, то есть в норме в человеческом организме тоже живет неисчислимо много микроскопических форм жизни. Они есть и на нашей коже, во рту - словом, где угодно. Некоторые из них действительно вредны и даже опасны для жизни, поэтому так широко распространены антибактериальные средства, а вот без других выжить было бы просто невозможно - наши виды сосуществуют в симбиозе.
Условия обитания
Какой ни приведи пример бактерий, организмы эти исключительно стойкие, могут выжить в неблагоприятных условиях, легко приспосабливаются к отрицательным факторам. Некоторые формы нуждаются в кислороде для обеспечения жизнедеятельности, а другие могут прекрасно обходиться даже без него. Известно много примеров представителей бактерий, превосходно выживающих в бескислородной среде.
Исследования показали, что микроскопические формы жизни могут выжить при сильном морозе, им не страшна очень высока сухость или повышение температуры. Споры, которыми размножаются бактерии, без труда справляются даже с продолжительным кипячением или обработкой низкими температурами.
Какие бывают?
Разбирая примеры бактерий (врагов и друзей человека), нужно помнить, что современная биология вводит систему классификации, несколько упрощающую понимание этого многообразного царства. Принято говорить о нескольких разных формах, каждая из которых имеет специализированное наименование. Так, кокками называются бактерии в форме шара, стрептококками - шары, собранные в цепочку, а если образование похоже на гроздь, тогда его относят к группе стафилококков. Известны такие микроскопические формы жизни, когда в одной капсуле, покрытой слизистой оболочкой, живут сразу две бактерии. Такие называют диплококками. Бациллы имеют форму палочек, спириллы - спирали, а вибрионы - это такой пример бактерии (привести его должен уметь любой школьник, ответственно проходящий программу), который похож по форме на запятую.
Такое наименование было принято относительно микроскопических форм жизни, которые при проведении анализа по Граму не меняют окраску под воздействием кристаллического фиолетового. К примеру, бактерии болезнетворные и безопасные из класса грамположительных сохраняют фиолетовый оттенок даже если промыть их спиртом, а вот грамотрицательные полностью обесцвечены.
При исследовании микроскопической формы жизни после промывания по Граму необходимо использовать контрактное окрашивающее вещество (сафранин), под влиянием которого бактерия станет розовой либо красной. Такая реакция обусловлена строением внешней мембраны, не дающей красителю проникнуть внутрь.
Зачем это нужно?
Если в рамках школьного курса ученику дают задание привести примеры бактерий, обычно он может вспомнить те формы, которые рассмотрены в учебнике, и для них уже указаны их ключевые особенности. Тест с окрашиванием был изобретен как раз для выявления этих специфических параметров. Первоначально исследование преследовало целью классификацию представителей микроскопической формы жизни.
Результаты теста по Граму позволяют делать выводы относительно строения стенок клеток. На основании полученной информации можно разделять все выявленные формы на две группы, что далее учитывается в работе. К примеру, болезнетворные бактерии из класса грамотрицательных значительно более стойкие к влиянию антител, так как клеточная стенка непроницаемая, защищенная, мощная. А вот для грамположительных стойкость характерна заметно более низкая.
Патогенность и особенности взаимодействия
Классический пример заболевания, вызываемого бактериями - это воспалительный процесс, который может развиться в самых разных тканях и органах. Чаще всего такую реакцию провоцируют грамотрицательные формы жизни, поскольку их клеточные стенки вызывают реакцию со стороны иммунной системы человека. В стенках содержится ЛПС (липополисахаридный слой), в ответ на который организм генерирует цитокины. Это провоцирует воспаление, организм хозяина вынужден справляться с повышенным производством отравляющих компонентов, что обусловлено борьбой между микроскопической формой жизни и иммунной системой.
Какие известны?
В медицине в настоящее время особенное внимание уделяется трем формам, провоцирующим серьезные заболевания. Половым путем передается бактерия Neisseria gonorrhoeae, симптоматика респираторных патологий наблюдается при заражении организма Moraxella catarrhalis, а одно из очень опасных для человека заболеваний - менингит - провоцируется бактерией Neisseria meningitidis.
Бациллы и заболевания
Рассматривая, к примеру, бактерии, заболевания, которые они провоцируют, просто нельзя обойти вниманием бациллы. Слово это в настоящее время известно любому обывателю, даже очень слабо представляющему себе особенности микроскопических форм жизни, а ведь именно эта разновидность грамотрицательных бактерий исключительно важна для современных докторов и исследователей, так как провоцирует серьезные проблемы дыхательной системы человека. Известны также примеры заболеваний мочеиспускательной системы, спровоцированные таким заражением. Некоторые бациллы негативно влияют на работу ЖКТ. Степень поражения зависит как от иммунитета человека, так и от конкретной формы, заразившей организм.
Определенная группа грамотрицательных бактерий связана с повышенной вероятностью внутрибольничной инфекции. Самые опасные из относительно широко распространённых вызывают вторичный менингит, пневмонию. Наиболее аккуратными должны быть работники медицинских учреждений отделения интенсивной терапии.
Литотрофы
Рассматривая примеры питания бактерий, особенное внимание нужно уделить уникальной группе литотрофов. Это такая микроскопическая форма жизни, которая для своей деятельности энергию получает из неорганического соединения. В расход идут металлы, сероводород, аммоний, многие иные соединения, из которых бактерия получает электроны. В качестве окислителя в реакции выступает молекула кислорода либо иное соединение, уже прошедшее этап окисления. Перенос электрона сопровождается продуцированием энергии, запасаемой организмом и используемой в метаболизме.
Для современных ученых литотрофы интересны в первую очередь потому, что представляют собой довольно нетипичные для нашей планеты живые организмы, и исследование позволяет существенно расширить представления о возможностях, которые есть у некоторых групп живых существ. Зная примеры, названия бактерий из класса литотрофов, исследовав особенности их жизнедеятельности, можно в некоторой степени восстановить первичную экологическую систему нашей планеты, то есть период, когда фотосинтеза не было, кислорода не существовало, и даже органического вещества пока еще не появилось. Изучение литотрофов дает шанс познания жизни на иных планетах, где таковая может реализовываться за счет окисления неорганики, при полном отсутствии кислорода.
Кто и что?
Что такое в природе литотрофы? Пример - клубеньковые бактерии, хемотрофные, карбокситрофные, метаногены. В настоящее время ученые не могут утверждать точно, что удалось обнаружить все разновидности, принадлежащие к этой группе микроскопических форм жизни. Предполагается, что дальнейшие исследования в этом направлении - одна из наиболее перспективных областей микробиологии.
Литотрофы принимают активное участие в циклических процессах, важных для условий существования жизни на нашей планете. Нередко химические реакции, провоцируемые этими бактериями, довольно сильно воздействуют на пространство. Так, серобактерии могут окислить сероводород в осадках на дне водоема, и без такой реакции компонент реагировал бы с кислородом, содержащимся в водных слоях, что сделало бы жизнь в нем невозможной.
Симбиоз и противостояние
Кто не знает примеры вирусов, бактерий? В рамках школьного курса всем рассказывают о бледной трепонеме, которая может спровоцировать сифилис, фламбезию. Есть и вирусы бактерий, которые науке известны как бактериофаги. Как показали исследования, всего лишь за одну секунду они могут заразить 10 в 24-й степени бактерий! Это одновременно и мощный инструмент эволюции, и применимый для генной инженерии способ, в настоящее время активно исследуемый учеными.
Важность жизни
В обывательской среде бытует заблуждение, будто бы бактерии - это только лишь причина человеческого заболевания, и больше никакой ни пользы, ни вреда от них нет. Обусловлен такой стереотип антропоцентрической картиной окружающего мира, то есть представлением, будто бы все каким-то образом соотносится с человеком, вращается вокруг него и только для него и существует. На самом деле, речь идет о постоянном взаимодействии без какого-либо конкретного центра вращения. Бактерии и эукариоты взаимодействуют столько, сколько существуют оба этих царства.
Первый способ борьбы с бактериями, изобретенный человечеством, был связан с открытием пенициллина, грибка, способного уничтожать микроскопические формы жизни. Грибки принадлежат к царству эукариотов и с точки зрения биологической иерархии находятся в более близком родстве с человеком, нежели растения. Но исследования показали, что грибки - это далеко не единственное и даже не первое, что стало врагом бактерий, ведь эукариоты появились намного позже микроскопической жизни. Первоначально борьба между бактериями (а других форм просто не существовало) шла с применением компонентов, которые эти организмы продуцировали, чтобы отвоевать себе место для существования. В настоящее время человек, пытаясь обнаружить новые способы борьбы с бактериями, может лишь открывать те методы, которые известны природе давно и применялись организмами в борьбе за жизнь. А вот лекарственная устойчивость, которая столь сильно пугает многих - это нормальная реакция сопротивления, присущая микроскопической жизни многие миллионы лет. Именно она и обусловила способность бактерий выживать все это время и продолжать развиваться и размножаться.
Нападай или умри
Наш мир - место, где может выжить только приспособленный к жизни, способный защищаться, нападать, выживать. В то же время способность к нападению тесно связана с вариантами защиты себя, своей жизни, интересов. Если некоторая бактерия не могла спастись от антибиотиков, этот вид вымирал. Существующие в настоящее время микроорганизмы обладают довольно развитыми и сложными защитными механизмами, эффективными против самых разных веществ и соединений. Наиболее применимый в природе метод - перенаправление опасности на другую мишень.
Появление антибиотика сопровождается воздействием на молекулу микроскопического организма - на РНК, белок. Если изменить мишень, тогда изменится место, куда может привязаться антибиотик. Точечная мутация, которая делает один организм стойким к воздействию агрессивного компонента, становится причиной совершенствования всего вида, так как именно эта бактерия продолжает активное размножение.
Вирусы и бактерии
Эта тема в настоящее время вызывает много разговоров как в среде профессионалов, так и обывателей. Чуть ли не каждый второй мнит себя специалистом по вирусам, что связано с работой систем массовой информации: едва приближается эпидемия гриппа, как везде и всюду говорят и пишут о вирусах. Человек, познакомившись с этими данными, начинает верить, что он знает все, что только возможно. Конечно, знакомиться с данными полезно, но не стоит заблуждаться: не только обывателям, но и профессионалам в настоящее время еще только предстоит открыть большую часть информации об особенностях жизнедеятельности вирусов и бактерий.
Между прочим, в последние годы значительно возросло число людей, убежденных, что рак - вирусное заболевание. Многие сотни лабораторий по всему миру проводили исследования, из которых можно сделать такой вывод относительно лейкемии, саркомы. Впрочем, пока это лишь предположения, а официальной доказательной базы недостаточно, чтобы можно было заключить точно.
Вирусология
Это довольно молодое направление науки, зародившееся восемь десятилетий тому назад, когда обнаружили, что провоцирует мозаичное заболевание табака. Заметно позже получили первое изображение хотя и очень неточное, а более-менее корректные исследования проводятся лишь в последние пятнадцать лет, когда доступные человечеству технологии сделали возможным изучение столь малых форм жизни.
В настоящее время нет точной информации о том, как и когда появились вирусы, но одна из основных теорий гласит, что эта форма жизни произошла от бактерий. Вместо эволюции здесь имела место деградация, развитие повернулось назад, и сформировались новые одноклеточные организмы. Группа ученых утверждает, что ранее вирусы были значительно более сложными, но ряд особенностей утратили с течением времени. Состояние, которое доступно для изучения современному человеку, разнообразие данных генетического фонда - лишь отголоски разных степеней, этапов деградации, свойственных тому или иному виду. Насколько корректна эта теория, пока неизвестно, но и наличие тесной связи между бактериями и вирусами отрицать невозможно.
Бактерии: такие разные
Даже если современный человек понимает, что бактерии окружают его везде и всюду, все равно сложно осознать, насколько сильно процессы окружающего мира зависят от микроскопических форм жизни. Только недавно ученые выяснили, что живые бактерии наполняют даже облака, куда поднимаются с паром. Способности, данные таким организмам, удивляют и вдохновляют. Некоторые провоцируют преобразование воды в лед, что становится причиной осадков. Когда гранула начинает падение, она снова тает, и на землю обрушивается поток воды - или снега, что зависит от климата и сезона. Не так давно ученые предположили, что посредством бактерий можно добиться увеличения объема осадков.
Описанные способности пока удалось обнаружить при исследовании вида, получившего научное наименование Pseudomonas Syringae. Ученые и раньше предполагали, что чистые для человеческого глаза облака наполнены жизнью, и современные средства, технологии и инструменты позволили доказать эту точку зрения. По приблизительным оценкам, кубический метр облака наполнен микробами в концентрации 300-30 000 экземпляров. Среди прочих здесь присутствует упомянутая форма Pseudomonas Syringae, провоцирующая формирование из воды льда при довольно высокой температуре. Впервые ее обнаружили несколько десятилетий назад, исследуя растения, и вырастили в искусственной среде - это оказалось достаточно просто. В настоящее время Pseudomonas Syringae активно работают на благо человечества на лыжных курортах.
Как это происходит?
Существование Pseudomonas Syringae сопряжено с продуцированием белков, сеткой покрывающих поверхность микроскопического организма. При приближении водяной молекулы начинается химическая реакция, решетка разравнивается, появляется сетка, что и становится причиной формирования льда. Ядро притягивает к себе воду, увеличивается в размерах и массе. Если все это происходило в облаке, тогда нарастание веса приводит к невозможности дальнейшего парения и гранула падает вниз. Форма осадков определяется температурой воздуха вблизи поверхности земли.
Предположительно, к Pseudomonas Syringae можно прибегать в период засухи, для чего нужно внедрить колонию бактерий в облако. В настоящее время ученые не знают точно, какая концентрация микроорганизмов может спровоцировать дождь, поэтому проводятся эксперименты, берутся пробы. Одновременно необходимо выяснить, для чего Pseudomonas Syringae перемещается облаками, если в норме микроорганизм обитает на растении.
Совокупность бактерий, населяющих человеческий организм, имеет общее название – микробиота. В нормальной, здоровой микрофлоре человека насчитывается несколько миллионов бактерий. Каждая из них играет важную роль для нормального функционирования человеческого тела.
При отсутствии какого-либо вида полезных бактерий человек начинает заболевать, нарушается работа ЖКТ, дыхательных путей. Полезные бактерии для человека концентрируются на коже, в кишечнике, на слизистых оболочках тела. Количество микроорганизмов регулируется с помощью иммунной системы.
В норме, тело человека содержит как полезную, так и патогенную микрофлору. Бактерия бывает полезная и патогенная.
Полезных бактерий намного больше. Они составляют 99% от общего числа микроорганизмов.
При таком положении соблюдается необходимый баланс.
Среди разных видов бактерий, обитающих на теле человека можно выделить:
- бифидобактерии;
- лактобактерии;
- энтерококки;
- кишечная палочка.
Бифидобактерии
Этот вид микроорганизмов самый распространённый, участвует в процессе выработки молочной кислоты и ацетата. Он создаёт кислую среду, этим самым нейтрализует большинство болезнетворных микробов. Патогенная флора перестаёт развиваться и вызывать процессы гниения и брожения.
Бифидобактерии играют важную роль в жизни ребёнка, так как именно они отвечают за наличие аллергической реакции на какие-либо пищевые продукты. Кроме того они оказывают антиоксидантное действие, предотвращают развитие опухолей.
Синтез витамина С не обходится без участия бифидобактерий. К тому же, есть информация, что бифидобактерии помогают усваиваться витаминам D и B, которые необходимы человеку для нормальной жизнедеятельности. При наличии дефицита бифидобактерий даже приём синтетических витаминов этой группы не принесёт никакого результата.
Лактобактерии
Эта группа микроорганизмов также важна для здоровья человека. Благодаря их взаимодействию с другими обитателями кишечника блокируется рост и развитие патогенных микроорганизмов, подавляются возбудители кишечных инфекций.
Лактобактерии участвуют в образовании молочной кислоты, лизоцина, бактериоцинов. Это отличная помощь иммунной системе. Если в кишечнике есть дефицит этих бактерий, то очень быстро развивается дисбактериоз.
Лактобактерии заселяют не только кишечник, но и слизистые. Так эти микроорганизмы важны для женского здоровья. Они поддерживают кислотность среды влагалища, не допускают развития бактериального вагиноза.
Кишечная палочка
Не все виды кишечной палочки являются болезнетворными. Большинство из них наоборот выполняют защитную функцию. Полезность рода кишечная палочка состоит в синтезе коцилина, который активно противостоит основной массе патогенной микрофлоры.
Данные бактерии полезны для синтеза разных групп витаминов, фолиевой и никотиновой кислоты. Нельзя недооценивать их роль для здоровья. Например, фолиевая кислота необходима для производства красных кровяных телец и поддержания нормального уровня гемоглобина.
Энтерококки
Этот вид микроорганизмов заселяет кишечник человека сразу после рождения.
Они помогают усваиваться сахарозе. Обитая в основном в тонком кишечнике, они, как и другие полезные не патогенные бактерии обеспечивают защиту от чрезмерного размножения вредоносных элементов. В то же время, энтерококки относятся к условно безопасным бактериям.
Если они начинают превышать допустимые нормы, развиваются разные бактериальные заболевания. Список болезней очень большой. Начиная от кишечных инфекций, заканчивая менингококковой.
Положительное влияние бактерий на организм
Полезные свойства не патогенных бактерий очень многообразно. До тех пор пока существует баланс между обитателями кишечника и слизистых, организм человека нормально функционирует.
Большинство бактерий участвует в процессах синтеза и расщепления витаминов. Без их присутствия витамины группы В не усваиваются кишечником, что приводит к нарушениям со стороны нервной системы, заболеваниям кожи, понижению гемоглобина.
Основная масса не переваренных компонентов пищи, достигших толстого кишечника, расщепляется именно благодаря бактериям. Кроме того, микроорганизмами обеспечивается постоянство водно-солевого обмена. Более половины всей микрофлоры участвует в регуляции всасывания жирных кислот, гормонов.
Микрофлора кишечника формирует местный иммунитет. Именно здесь происходит уничтожение основной массы патогенных организмов, блокируется вредоносный микроб.
Соответственно, люди не ощущают вздутия и метеоризма. Увеличение лимфоцитов провоцирует активные фагоциты для борьбы с врагом, стимулируют продуцирование иммуноглобулина А.
Полезные не патогенные микроорганизмы положительно влияют на стенки тонкого и толстого кишечника. Они поддерживают там постоянный уровень кислотности, стимулируют лимфоидный аппарат, эпителий становится устойчивым к разным канцерогенам.
Перистальтика кишечника также во многом зависит от того, какие бывают микроорганизмы в нём. Подавление процессов гниения и брожения – одна из основных задач бифидобактерий. Многие микроорганизмы долгие годы развиваются в симбиозе с болезнетворными бактериями, тем самым, контролируя их.
Биохимические реакции, которые постоянно происходят с бактериями, выделяют много тепловой энергии, поддерживая общий тепловой баланс организма. Питаются микроорганизмы не переваренными остатками.
Дисбактериоз
Дисбактериоз – это изменение количественного и качественного состава бактерий в организме человека. При этом полезные организмы погибают, а вредоносные активно размножаются.
Дисбактериоз затрагивает не только кишечник, но и слизистые (может быть дисбактериоз ротовой полости, влагалища). В анализах будут превалировать названия: стрептококк, стафилококк, микрококк.
В нормальном состоянии полезные бактерии регулируют развитие патогенной микрофлоры. Кожные покровы, органы дыхания обычно находятся под надёжной защитой. Когда нарушается баланс человек ощущает следующие симптомы: метеоризм кишечника, вздутие, боли в животе, расстройство.
Позже может начаться снижение веса, анемия, авитаминоз. Со стороны половой системы наблюдаются обильные выделения, часто сопровождающиеся неприятным запахом. На коже появляются раздражения, шероховатости, трещинки. Дисбактериоз побочное действие после приёма антибиотиков.
При обнаружении подобных симптомов нужно обязательно обратиться к врачу, который назначит комплекс мероприятий по восстановлению нормальной микрофлоры. Часто для этого требуется приём пробиотиков.
Бактерии представляют собой одноклеточные организмы, лишенные хлорофилла. Эта группа микроорганизмов наиболее многочисленна, широко распространена в природе и хорошо изучена. Среди бактерий имеется значительное число возбудителей инфекционных заболеваний человека и животных.
Форма и размеры бактерий. По форме клеток бактерии разделяются на шаровидные — кокки; палочковидные или цилиндрические — собственно бактерии; извитые— вибрионы и спириллы. Между основными формами имеются переходные. Различные формы бактерий показаны на рис. 1.
Кокки (от греч. coccus— зерно, ягода) различаются между собой в зависимости от расположения клеток после их деления. Одиночные кокки называются микрококками (рис. 1,1), парные — диплококками. Если кокки после деления не расходятся, а образуют цепочку, их называют стрептококками (рис. 1,3). Все эти кокки делятся только в одной плоскости. При делении в двух взаимно перпендикулярных плоскостях могут образоваться сочетания из четырех кокков — тетракокки (рис. 1,6), а при делении в трех взаимно перпендикулярных плоскостях — сарцины (от лат. sarcio — связывать; рис. 1,7), состоящие из 8—16 клеток. Если деление происходит без определенного порядка, кокки остаются вместе и образуют скопления, напоминающие грозди винограда, — стафилококки (рис.1,2). Обычно размеры кокков достигают 1—1,5 мкм.
Среди кокков имеются возбудители различных заболеваний человека: диплококки-пневмококки (рис. 1,5), мейингококки и гонококки (рис. 1,4) вызывают соответственно воспаление легких, менингит и гонорею; стафилококки и стрептококки — различные гнойные заболевания человека и животных. Многие кокки являются обитателями различных полостей и кожи человека и широко распространены во внешней среде.
Палочковидные бактерии (от греч. bacteria— палочка) имеют цилиндрическую форму и обычно располагаются одиночно (рис. 1,8—9), но иногда попарно (диплобактерии) или в виде цепочек (стрептобактерии). Палочки могут быть прямыми, слегка изогнутыми и веретенообразными; размеры их достигают 1—5x0,5— 1 мкм. Палочки, не образующие спор, называют бактериями, а спорообразующие — бациллами (аэробы) и клостридиями (анаэробы). Под воздействием различных факторов форма и величина бактерий могут меняться. Способность бактерий изменять свою форму и величину называется полиморфизмом.
Среди бактерий много возбудителей инфекционных заболеваний: чумы, сибирской язвы, бруцеллеза, столбняка, газовой гангрены, дифтерии, кишечных инфекций.
Извитые формы бактерий имеют вид спирали, состоящей из нескольких завитков. Среди них различают вибрионы, имеющие один завиток (рис. 1, 10), и спириллы с 2—3 завитками (рис. 1, 11).
Вибрионы — слабоизогнутые клетки, напоминающие запятую, длиной 1—3 мкм, очень подвижные за счет жгутика, расположенного на конце клетки. Среди вибрионов наибольшее значение имеет возбудитель холеры.
Спириллы — безвредные микроорганизмы, живущие в сточных или загрязненных водах, гниющих отбросах. Только Spirillum minus вызывает у человека болезнь укуса крысы—содоку.
Структура бактерий. Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и цитоплазмы, которая содержит ядерное вещество, различные органеллы и включения. Кроме того, у многих бактерий имеются капсула и слизистый слой, жгутики и пили (рис. 2).
Клеточная стенка. Оболочка, которая отделяет микробную клетку от окружающей среды, определяет и сохраняет ее форму, получила название клеточной стенки (рис. 3). Она характеризуется прочностью, эластичностью и гибкостью. Клеточная стенка выполняет жизненно важную функцию: предохраняет клетку от осмотического лизиса, так как давление внутри клетки в цитоплазме выше, чем в окружающей среде. Обладая избирательной проницаемостью, клеточная стенка обеспечивает прохождение внутрь клетки различных веществ и выведение наружу продуктов обмена. Через клеточную стенку легко проникают вода, глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, имеющие молекулы небольших размеров. Более крупные молекулы органических веществ не могут проникнуть внутрь клетки без предварительного расщепления их на более мелкие с помощью ферментов, выделяемых клеткой.
Клеточная стенка бактерий имеет сложную структуру и построена из компонентов двух типов. Прочность и твердость клеточной стенке придает сеть микрофибрилл, которая погружена в содержимое — матрикс. Микрофибриллы являются гликопептидами (пептидогликаны, или муреины). Слой гликопептидов определяет и сохраняет форму бактериальной клетки. Структура и химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий различны.
Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет наиболее простое строение. Структура ее однородна, она толще (10—15 нм), чем клеточная стенка грамотрицательных бактерий. Основная масса клеточной стенки — гликопептиды (до 90%). Сеть микрофибрилл погружена в матрикс, содержащий полисахариды (до 90%) и тейхоевые кислоты. Белки обычно отсутствуют, а липиды составляют всего 2,5%. Однако некоторые грамположительные бактерии, например коринебактерии и микобактерии, содержат в клеточной стенке большое количество липидов.
Клеточная стенка грамотрицательных бактерий имеет сложное строение и по химическому составу значительно отличается от клеточных стенок грамположительных бактерий. Внутренний слой клеточной стенки — тонкий мешочек молекул гликопептида, состоящий из одного или двух молекулярных слоев (2—3 нм). Поверх него лежит широкий внешний слой (7—8 нм) из неплотно упакованных молекул белка и фосфолипидов, над которым располагается третий слой — липополисахариды. Возможна и другая структура внешнего слоя клеточной стенки: в двойной слой фосфолипидов включены белки и липополисахариды.
В клеточной стенке этих бактерий много липидов (до 25%), белка и полисахаридов.
Цитоплазматическая мембрана. Непосредственно под клеточной стенкой расположена цитоплазматическая мембрана, очень плотно прилегающая к ней (рис.4). Цитоплазматическая мембрана имеет большое значение в жизни клетки. Она действует как осмотический барьер, концентрируя внутри клетки питательные вещества и способствуя выведению продуктов обмена. Через нее проходят частицы, имеющие молекулы небольших размеров (фрагменты ДНК, белки с низкой молекулярной массой— внеклеточные ферменты). Белки цитоплазматической мембраны — пермеазы выполняют функцию транспорта — переноса органических и неорганических веществ в клетку. Дитоплазматическая мембрана является местом биосинтеза некоторых составных частей клетки, принимает участие в процессах деления бактерий. На внутренней поверхности ее находятся специальные участки, к которым прикрепляется ДНК в процессе ее удвоения (репликации). Рост мембраны обеспечивает разделение генома клетки после завершения процесса репликации. У аэробных бактерий в цитоплазматической мембране находится цепочка переноса электронов, обеспечивающих энергетический обмен клетки.
Цитоплазматическая мембрана очень тонка (не более 8—10 нм). На электронных микрофотографиях она видна как двойная линия, разделенная светлым промежутком (трехслойная). Более половины массы цитоплазматической мембраны составляют белки и 20—30% — фосфолипиды. Цитоплазматическая мембрана бактерий имеет структуру элементарной биологической мембраны — двойного слоя фосфолипидов, на поверхности которых расположены белки.
При некоторых воздействиях на бактериальную клетку, например при помещении ее в гипертонический раствор хлорида натрия, мембрана может отделиться от клеточной стенки и стать хорошо видимой (см. рис. 3).
Цитоплазма. Содержимое бактериальной клетки — ограниченное цитоплазматической мембраной прозрачное, слегка вязкое вещество жидкой консистенции. Цитоплазма клеток бактерий является коллоидальной системой, состоящей из воды, протеинов, жиров, углеводов, различных минеральных и других веществ, соотношения которых варьируют в зависимости от вида бактерий и возраста клетки.
В цитоплазме бактерии находятся ядро клетки — нуклеоид, рибосомы, мезосомы, а также различные гранулы запасных питательных веществ, пигменты, жиры.
Нуклеоид. Содержит ДНК, которая связана с небольшим количеством специфического основного белка— гистона (нуклеопротеид) и является хранителем наследственной информации в клетке. В отличие от ядер других микроорганизмов, например простейших, нуклеоид бактерий не имеет ясно выраженной мембраны, ограничивающей его от остальной части цитоплазмы (см. рис. 4). Молекула ДНК по схеме, предложенной в 1953 г. Уотсоном и Криком, состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой наподобие винтовой лестницы (рис. 5). Наружную поверхность такой двойной спирали образует сахар — дезоксирибоза (С), которая чередуется с остатками фосфорной кислоты (Ф). Внутри спирали перпендикулярно к ее оси, как ступеньки лестницы, расположены плоские молекулы азотистых оснований: пурины — аденин (А), гуанин (Г) и пиримидины — тимин (Т), цитозин (Ц). Каждый пурин вследствие своей химической структуры обязательно соединен с пиримидином, поэтому нить ДНК имеет равномерную толщину, около 0,2 нм, на всем протяжении. Длина молекулы ДНК может быть в сотни миллионов раз больше. Например, общая длина хромосомы кишечной палочки 1— 1,4 мм.Пурины и пиримидины соединены между собой водородными связями, которые легко разрываются. Каждое азотистое основание прикреплено только к сахару наружной цепи — дезоксирибозе. Дезоксирибоза, фосфат и азотистое основание образуют один мономер ДНК, называемый нуклеотидом (Н). Для ДНК многих бактерий характерна кольцевая структура в виде замкнутого кольца. У большинства прокариотов только одна бактериальная хромосома.
Рибосомы. Помимо ДНК, в клетке есть вторая нуклеиновая кислота — рибонуклеиновая (РНК), которая в отличие от ДНК состоит из одной цепи, имеет сахар рибозу вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина. Основная масса РНК связана с белком в форме маленьких частиц, или рибосом, которые являются центрами синтеза белка. Рибосомы образуют большие агрегаты, называемые полирибосомами, или полисомами, состоящими из 7—8 рибосом и более. Химический состав рибосом: 40—60% РНК и 60—40% белка. У бактерий рибосомы свободно лежат в цитоплазме. Количество их в каждой клетке может быть более 100. Помимо рибосомальной РНК (рРНК), в цитоплазме бактерии находится еще информационная РНК (иРНК, или мРНК). Она осуществляет функцию переноса генетической информации от ДНК к полисомам. У кишечной палочки она составляет 2— 4 % от всей РНК. Третья рибонуклеиновая кислота — транспортная (тРНК)—выполняет функцию транспортировки в рибосомы аминокислот, необходимых для синтеза белка.
Мезосомы. У некоторых бацилл из цитоплазматической мембраны возникают сферические, закрученные в завиток структуры — так называемые мезосомы. Функция их пока не совсем ясна. Возможно, они участвуют в процессе деления клетки или в окислительно-восстановительных процессах, выполняя роль митохондрий.
Гранулы. В цитоплазме бактерий находятся различные гранулы, многие из которых содержат запасные питательные вещества. Источником углерода или энергии служат гранулы безазотистых органических веществ — полисахариды, состоящие из молекул глюкозы. Одни гранулы состоят из крахмала и окрашиваются йодом в синий цвет (иогены или гранулеза), другие содержат гликоген и окрашиваются йодом в красновато-коричневый цвет. Сернистые бактерии накапливают в цитоплазме капельки серы, некоторые бактерии синтезируют и накапливают липидные включения, которые видны в форме мелких капель благодаря большой степени их преломления.
У некоторых микробов в цитоплазме находятся зерна волютина, впервые обнаруженные у спирилл (Spirillum volutans). Они являются запасными питательными веществами, состоящими из неорганических полифосфатов и соединений, близких к нуклеиновым кислотам. Волютин в виде крупных гранул накапливается в цитоплазме бактерий при выращивании их на средах, содержащих углеводы. Зерна волютина при окраске их метиленовым синим обнаруживают явления метахромазии: синяя краска придает им ярко-красный цвет. У некоторых бактерий, например коринебактерий, обнаружение зерен волютина является ценным диагностическим признаком.
Капсула и слизистый слой. У многих бактерий с наружной стороны клеточной стенки расположен диффузный гомогенный слизистый слой различной толщины (см. рис. 2,1). Этот слой можно выявить при определенных способах окраски или соответствующем освещении.
Капсулой называют слой, который сохраняет тесную связь с клеточной стенкой и служит внешним покровом клетки. Толщина его ограничена, и капсула четко выявляется при негативном окрашивании по методу Гинса: на темном фоне препарата видна окрашенная в красный цвет бактериальная клетка, окруженная бесцветной капсулой. Толщина капсул у бактерий различна: от долей микрометра до 10 мкм. Капсулу величиной менее 0,2 мкм часто называют микрокапсулой. Поверхностные структуры типа капсул описаны у пневмококков, возбудителей сибирской язвы, коклюша, гонореи, группы капсульных бактерий — клебсиелл. У многих видов бактерий капсула появляется лишь при определенных условиях, часто неблагоприятных. Возбудители сибирской язвы, коклюша, гонореи, пневмококки образуют капсулу, попадая в организм человека или животного. В этом случае капсула выполняет защитную роль, предохраняя микроб от действия антител, фагоцитов и других защитных факторов организма. Группа капсульных бактерий сохраняет капсулу постоянно: и в организме человека, и пр,и культивировании на питательных средах. Химический состав капсул зависит от вида бактерий. Основными компонентами капсулы являются вода (до 98%) и полисахариды. В капсуле сибиреязвенных бацилл найдены полипептиды, а в капсуле стрептококка — белок М.
Слизистые слои, образующиеся вокруг поверхности некоторых бактерий, отличаются от капсул более рыхлым строением, толщиной, способностью частично отделяться от образовавшей их клетки. Материал, составляющий слизистый слой, часто обнаруживают в питательной среде, в которой культивируют микроорганизмы.
Защитные функции капсулы разнообразны. Помимо предохранения микроба от действия защитных факторов макроорганизма, капсула предохраняет микроб от притока в клетку большого количества жидкости (осмотический барьер), а также от высыхания при неблагоприятных условиях среды обитания.
Жгутики. Некоторые бактерии обладают подвижностью, которая осуществляется с помощью жгутиков. Число и расположение жгутиков являются характерным видовым признаком бактерий, который используют для дифференциации микроорганизмов. По расположению и числу жгутиков различают бактерии: монотрихи, имеющие один жгутик на одном из полюсов клетки; амфитрихи, у которых на каждом полюсе расположено по одному жгутику; лофотрихи — с пучком жгутиков на одном полюсе (сюда же относят бактерии, которые имеют пучки жгутиков на обоих полюсах), и перитрих и, жгутики у которых расположены по всей поверхности тела (рис. 6).
Жгутики представляют собой тонкие, спиральные, нитевидные фибриллы толщиной 12—18 нм. Длина жгутика может в 10 раз превышать длину самой бактерии. Жгутик отходит от специального образования — базального тельца, расположенного в цитоплазме на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны (рис. 7). Базальное тельце имеет сложное строение, в нем находится механизм в виде двух кольцевых пластинок, вращение которых относительно друг друга сообщает движение жгутику.
Жгугики бактерий — белковые нити, состоящие из белка флагеллина, белковые мономеры которого собраны в спиральные цепи, закрученные вокруг полой сердцевины. При движении жгутик вращается вокруг своей длинной оси по или против часовой стрелки. Движение бактерий можно увидеть при исследовании их в живом состоянии с помощью метода висячей или раздавленной капли и при использовании специальных способов окраски в световом микроскопе. Скорость активного движения с помощью жгутиков у некоторых бактерий очень велика: за 1 с они могут пересечь расстояние, в 20 раз превышающее их длину. Механическое удаление приводит к потере подвижности бактерий, но не препятствует их росту и размножению.
Пили (ворсинки). Прямые нитевидные образования, обнаруженные у сальмонелл, эшерихий, протея, называют ворсинками, а также бахромками, фимбриями, ресничками, пилями (рис. 8). Пили тоньше жгутиков бактерий и короче их; состоят из особого белка пилина, мономеры которого, как и у жгутиков, расположены по спирали. Пили различаются по диаметру и длине; толщина пилёй может быть от 4—10 до 35 нм. Количество пил ей на одну бактериальную клетку может достигать нескольких сотен. Пили обеспечивают способность бактерий к прилипанию (адгезия) друг к другу или к субстрату, например к эпителиальным клеткам слизистой оболочки кишечника.
Некоторые пили, например F-ворсинки, выполняют половые функции у бактерий. Они обеспечивают передачу наследственного материала (ДНК) из одной бактериальной клетки в другую, образуя мостик между двумя клетками. Эти ворсинки шире и длиннее остальных и на конце имеют шаровидное утолщение.
Споры. Некоторые бактерии, попадая в неблагоприятные условия существования, образуют внутри тела спору (эндоспора). Эндоспора представляет собой внутриклеточное, сильно преломляющее свет образование, устойчивое (резистентное) к различным вредным факторам внешней среды: высыханию, действию высоких температур, химических и дезинфицирующих веществ (рис. 9).
Спорообразование свойственно преимущественно палочковидным формам бактерий: бациллам и клостридиям. У бактерий других видов оно встречается очень редко. Споры имеют сферическую, овальную или эллипсоидную форму. Диаметр споры обычно равен диаметру клетки, в которой она образуется, или несколько превышает его, а длина споры составляет 1/4-1/3 длины клетки бактерии. Размер и положение внутри бактериальной клетки зависят от вида, возраста и условий выращивания бактерий. Споры могут располагаться в центре клетки — центрально (рис. 9,1), как, например, у возбудителя сибирской язвы; ближе к концу — субтерминально, у возбудителя газовой гангрены (рис. 9,3); на самом конце — терминально, у возбудителя столбняка и ботулизма (рис. 9,2). Форма и расположение споры в бактериальной клетке могут быть отличительными признаками некоторых возбудителей: например, столбнячная палочка имеет круглую спору, расположенную на конце бактерии, и похожа на барабанную палочку, а ботулиническая палочка — овальную спору также на конце бактериальной клетки и напоминает теннисную ракетку. Созревшая спора имеет сложную структуру.
Процесс спорообразования происходит при попадании бактерии в неблагоприятные условия (недостаток питательных веществ, воды, большое содержание кислорода, действие высоких и низких температур и т. д.). Спорообразование начинается с появления «спорогенной зоны»: в бактериальной клетке образуется уплотненный участок, где наблюдается обособление ядерного материала и части цитоплазмы с помощью тонкой перегородки. По мере развития и созревания споры закладываются ее стенки, число и толщина которых варьируют у разных видов бактерий (стадия проспоры). Затем проспора уплотняется, уменьшается в объеме, превращается в зрелую спору, которая окружена плотной многослойной оболочкой, состоящей в основном из белков, липидов и гликопептидов. Весь процесс спорообразования длится 18—24 ч. По химическому составу споры отличаются высоким содержанием липидов, солей кальция; вода в споре находится в связанном с другими соединениями состоянии. Эти особенности спор и обусловливают их высокую устойчивость к различным факторам: кипячению, действию высоких и низких температур, высушиванию, ультрафиолетовому облучению и т. д. При попадании в благоприятные условия существования (наличие питательных веществ, достаточной влажности и оптимальной температуры) спора прорастает в вегетативную форму: она набухает, в оболочке появляется отверстие, через которое вытягивается росток, превращающийся затем в палочку. Весь процесс длится 4—5 ч.
Одной клетке соответствует только одна спора, поэтому спорообразование у бактерий не связано с процессом размножения, как у грибов, а является лишь способом переживания в неблагоприятных условиях внешней среды.
Спорообразующие микробы широко распространены в почве, воздухе, сохраняясь там десятки лет. Среди них встречаются патогенные виды — бациллы сибирской язвы, возбудители газовой гангрены, столбняка и ботулизма.
Сферопласты и протопласты. Бактериальная клетка в определенных условиях может быть лишена клеточной стенки. Эту стенку можно разрушить действием лизоцима или пенициллина, который нарушает синтез гликопептидов. Бактерии, целиком лишенные клеточной стенки, называются протопластами, а при сохранении небольших участков ее—сферопластами. Эти образования покрыты тонкой и нежной цитоплазматической мембраной и имеют сферическую форму. Цитоплазматическая мембрана неспособна сдержать высокое осмотическое давление цитоплазмы, поэтому для сохранения жизнеспособности сферопласты и протопласты помещают в специально осмотически уравновешенные среды, содержащие 5—20% сахарозы и сыворотку лошади. В этих средах они сохраняют округлую форму, а некоторые —даже жгутики. Однако такие протопласты неподвижны вследствие нарушения у них механизмов, управляющих движением жгутиков. Спустя некоторое время после хранения сферопластов и протопластов в растворах сахарозы они начинают разрушаться (лизируются) и в среде появляются мелкие зерна и пустые пузырьки — «тени» протопластов. При определенных условиях сферопласты, частично сохраняющие клеточную стенку, могут размножаться на плотных питательных средах и реверсировать (возвращаться) в исходные формы, что сближает их с нестабильными L-формами бактерий типа В.
L-формы бактерий. При частичном или полном разрушении клеточных стенок многие виды бактерий могут образовывать L-формы. Впервые они были обнаружены Клинебергер-Нобель в 1935 г. Название их происходит от первой буквы института Листера (L), в котором они были открыты.
Характерным для L-форм бактерий является их сходство с микроорганизмами группы плевропневмонии крупного рогатого скота (PPLO), которые отнесены в настоящее время к микоплазмам. Однако L-формы отличает от микоплазм то, что им несвойственна потребность в питательных веществах, в которых нуждаются микоплазмы. Генетически L-формы идентичны исходным формам, из которых они получены. У некоторых из них частично сохранена клеточная стенка (L-формы типа В), поэтому они могут превращаться в исходные формы бактерий. Образование L-форм происходит под «действием пенициллина, который нарушает синтез мукопептидов клеточной стенки. Иногда эти формы возникают спонтанно.
По морфологии L-формы разных видов бактерий и других микроорганизмов (трепонемы, дрожжи) сходны между собой. Они представляют шаровидные, вакуолизи- рованные образования величиной от 1—8 мкм до мельчайших— 250 нм, способных, как и вирусы, проходить через поры фарфоровых фильтров. Однако в отличие от вирусов L-формы можно выращивать на искусственных питательных средах, добавляя к ним пенициллин, сахара, лошадиную сыворотку. При удалении из такой среды пенициллина L-формы (тип В) вновь превращаются в. исходные формы бактерий. Этот процесс называется реверсией. Однако существуют стабильные L-формы бактерий (тип А), возвращение которых к исходной форме затруднено или невозможно. В настоящее время получены L-формы протея, кишечной палочки, холерного вибриона, бруцелл, возбудителей газовой гангрены, столбняка и других микроорганизмов.