Первыми живыми существами, появившимися на нашей планете, были бактерии. Эти удивительные организмы умудряются существовать, опираясь на возможности одной-единственной клетки. У большинства бактерий особенности строения, питания, размножения изучены достаточно полно, что позволяет широко использовать их в биотехнологии.
Метаболизм одноклеточных и скорость их размножения в десятки тысяч раз выше, чем у других живых существ. Их приспособляемость к изменяющимся внешним условиям и способности к выживанию намного превышают возможности любого другого организма в природе. Почему же бактерии до сих пор не заполонили всю нашу планету? При отсутствии природных сдерживающих факторов (конкуренция, недостаток пищи, особенности размножения и пр.) такое вполне могло бы произойти.
Шарики, палочки, цепочки, звездочки…
Нет, это не новогодние украшения, это варианты внешнего вида одноклеточных. Морфологические признаки (размер, форма и строение) микроорганизмов в природе весьма разнообразны. Бактерии разделяются на:
- кокки (шарообразная или округлая форма);
- палочки;
- спирали (извитая форма);
- есть звездчатые, кубические, С-образные и т. д.
Кокки могут встречаться:
- одиночные (микрококки);
- сцепленные по две клетки (диплококки);
- по четыре клетки (тетракокки);
- образовывать цепочку последовательно соединенных клеток (стрептококки);
- принимать форму виноградной грозди (стафилококки).
Размеры бактерий варьируются от самых маленьких (бруцеллы) до средних (кишечная палочка) и самых крупных (бациллы). Диаметр кокков находится в интервале 0,5 –2,5 мкм, палочки и спирали вырастают до 0,1–2 мкм (отдельные клетки), а их соединение может достигать 10 мкм (палочковидные) и 50 мкм (спирали).
Палочковидные формы различают:
- По форме концов:
- плоские (рубленные);
- полусферы (округленные);
- конусовидные (заостренные);
- с утолщением.
2. По характеру соединений:
- одиночные клетки;
- соединенные парами;
- образующие цепь (стрептобактерии).
Строго говоря, спиралевидные формы тоже относят к палочковидным. Их различают по числу и виду завитков:
- немного изогнутые (вибрионы);
- единичный завиток или небольшое их количество (спириллы);
- больше четырех завитков (борелли имеют 4–12 шт., трепонемы от 14 до 17);
- форма похожа на латинскую S (лептоспиры).
Особенности формы определяют свойства клеток – их подвижность, прикрепление к поверхности, всасывание питания. Все это многообразие относится только к наружному виду клеток.
Врачи отмечают, что бактерии играют двойственную роль в жизни человека. С одной стороны, они могут быть опасными патогенами, вызывающими различные заболевания, от простых инфекций до серьезных патологий. С другой стороны, многие бактерии являются незаменимыми помощниками, способствующими нормальному функционированию организма. Например, кишечная микрофлора, состоящая из множества полезных бактерий, помогает в переваривании пищи и синтезе витаминов. Врачи подчеркивают важность поддержания баланса между полезными и вредными микроорганизмами. Профилактика инфекций, соблюдение гигиенических норм и разумное использование антибиотиков способствуют сохранению здоровья и укреплению иммунной системы. Таким образом, понимание особенностей существования бактерий позволяет не только избегать заболеваний, но и использовать их полезные свойства для улучшения качества жизни.
«Архитектура» бактерий
Строение микроорганизмов достаточно простое – единственная клетка, ограниченная оболочкой, содержит цитоплазму с молекулой ДНК, замкнутой в кольцо (нуклеоид). Как правило, бактерии довольствуются одной клеткой. Но в любом уважающем себя правиле просто обязаны быть исключения. Особенностью нитчатых цианобактерий и актиномицет является их многоклеточное строение. Правда, биологи так и не пришли к однозначному выводу – считать ли эти микроорганизмы бактериями или отнести к царству растений.
Клетка прокариота (безъядерного организма) в обязательном порядке имеет:
- клеточную оболочку (наружный защитный слой, бывает грамположительного и грамотрицательного типа);
- мембрану (тонкий барьер между цитоплазмой и стенкой клетки);
- цитоплазму (полужидкая среда, содержащая ДНК (нуклеоид) и молекулы РНК (рибосомы).
К дополнительным структурам клетки относят капсулы, жгутики, пили, различные включения и споры. Капсулы широко распространены, т.к. образуются, как правило, в ответ на агрессивную внешнюю среду. Споры нужны, чтобы выжить в неблагоприятных природных условиях. Включения могут иметь функциональное значение или представляют собой запас питательных веществ. С помощью жгутиков клетка получает возможность перемещаться, а пили помогают прикрепиться к поверхности.
Оболочка бактерий
Клеточная стенка берет на себя все механические и физиологические функции, т.е. она отвечает за наружную форму, предохраняет от механических повреждений, обеспечивает транспорт питательных веществ внутрь клетки и выведение отходов наружу.
Особенности строения наружной оболочки хорошо заметны при окрашивании по методу датского врача Грама:
- Грамположительные (т.е. удерживающие краситель) микроорганизмы имеют более толстую оболочку. Их стенка состоит из одного слоя, без внешней мембраны, как у грамотрицательных.
- Грамотрицательные не удерживают краситель и после промывки остаются практически бесцветными. Их клеточная стенка намного тоньше, чем у грамположительных, однако она состоит из двух слоев – клеточной оболочки и наружной мембраны.
Метод разделения клеток на грамположительные и грамотрицательные особенно важен в медицине и вот почему – большая часть патогенных бактерий, опасных для здоровья, относится к грамположительным. Грамотрицательные микроорганизмы относятся к условно-патогенным, т. е. их наличие в организме не обязательно вызовет заболевание (только при определенных условиях).
Бактерии — это удивительные организмы, которые вызывают множество мнений и эмоций у людей. С одной стороны, они воспринимаются как опасные соперники, способные вызывать болезни и инфекции. Многочисленные исследования показывают, что некоторые виды бактерий могут быть патогенными и представлять угрозу для здоровья человека. Однако, с другой стороны, бактерии также являются нашими незаменимыми помощниками. Они участвуют в процессах пищеварения, помогают усваивать витамины и минералы, а также играют ключевую роль в экосистемах, разлагая органические вещества и способствуя плодородию почвы. В последние годы внимание ученых привлекает микробиом человека — совокупность бактерий, обитающих в нашем организме. Исследования показывают, что баланс этих микроорганизмов влияет на наше здоровье, настроение и даже иммунитет. Таким образом, бактерии — это не только враги, но и союзники, с которыми нам предстоит научиться сосуществовать.
Что внутри?
Тонким слоем между оболочкой и цитоплазмой располагается мембрана. Она отвечает за удерживание жидкости в клетке, поступление питательных веществ, осуществляет синтезирование наружной стенки и образование споров. Кроме того, именно в мембране идет процесс дыхания, фиксация азота, хемосинтез и другие процессы, необходимые для существования клетки в природе.
Нуклеоид, он же генофор или бактериальная хромосома, – это замкнутая молекула ДНК, содержащая всю информацию, обязательную для выживания клеток. В их цитоплазме могут быть разрозненные фрагменты или дополнительная ДНК (плазмиды), несущие полезную, но не обязательную информацию.
Совокупность генов (геном) бактериальной клетки определяет ее свойства и морфологические признаки. Прокариоты обычно имеют одну замкнутую хромосому, однако есть клетки с двумя кольцевыми хромосомами или одной кольцевой и большой плазмидой (фрагмент ДНК), т. е. обладают сложным геномом.
Один из самых важных органоидов бактерий – рибосома. Именно в ней происходит синтез белка из аминокислот на основе генетической информации, записанной в матричной РНК. Еще один компонент прокариотической (безъядерной) клетки – везикулы (пузырьки), образованные складками мембраны внутри бактерии. Особенность прокариот в том, что все внутренние образования состоят только из цитоплазматической мембраны. Везикулы могут выполнять роль хлоропластов (у фототрофных и нитрифицирующих бактерий) или газовых вакуолей для регуляции плотности цитоплазмы.
Особенность химического состава прокариот в том, что 70–80% содержимого клетки составляет вода. Если исключить жидкость, то половину сухого остатка составляет белок (50%), а оставшееся распределяется следующим образом:
- 10–20% материал оболочки;
- 10% липиды;
- 10–20% РНК;
- 3–4% ДНК.
В состав клетки входят: углерод (50%), кислород (20%), азот (14%) и немного водорода (8%). Из минеральных составляющих присутствуют фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний и микроэлементы (медь, цинк, барий, марганец и т. д.).
Способы получения энергии
Бактерии способны получать энергию как из органических, так и из неорганических веществ. Процесс получения питания идет по всей поверхности микроорганизма. Скорость метаболизма и размножения прокариот очень высока, в особенности в комфортных условиях. Например, обычные дрожжи, если их не ограничивать, за сутки могут увеличить свою массу в 50 тысяч раз.
Кстати, помимо применения в пищевой промышленности, дрожжи применяют в биотехнологии для производства ксилита (заменитель сахара), ферментов, пищевых добавок и даже для очистки водоемов от нефтяных пятен.
В зависимости от типа питания микробы делятся на:
- Автотрофы («самопитающиеся») – клетки, вырабатывающие органические соединения из неоргаников. По энергии, применяемой для обмена веществ, их можно разделить на:
- фототрофы – бактерии, живущие за счет солнечной энергии (фотосинтез);
- хемотрофы – организмы, получающие энергию от химических реакций окисления, это нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии и др.
2. Гетеротрофы («иная пища») – организмы, использующие готовые органические вещества. По используемым источникам пищи их разделяют на:
- сапрофиты разлагают отмершие органические остатки;
- паразиты получают питательные компоненты из живых клеток.
Фототрофы и хемотрофы, с помощью энергии солнца и неорганических веществ, создают строительный материал для органических соединений. Паразиты существуют и размножаются на живых клетках, это патогенные и условно-патогенные бактерии. Именно они провоцируют болезни.
В природе сапрофиты разлагают отмершие органические фрагменты с помощью сапротрофного питания на неорганические и простейшие органические соединения. Именно сапрофиты замыкают круг, возвращая в природу питательные компоненты, годные для дальнейшего использования иными организмами.
В последнее время для характеристики типов питания все чаще используют новые термины «органотрофы» и «литотрофы», и вот почему:
Читайте также:
- органотрофы – бактерии, использующие органические вещества;
- литотрофы (греч. «литос» – камень) – микроорганизмы, живущие на минеральных средах.
Однако четко разделить бактерии по особенностям питания довольно сложно – некоторые микробы легко изменяют способ получения энергии, приспосабливаясь к природе окружающей среды.
Одно из главных условий для размножения бактерий – определенные ферменты, называемые факторами роста. Начало деления клетки происходит под действием особого ферментативного аппарата (отрезка ДНК), содержащего информацию об удвоении генома. Однако самостоятельно синтезировать ферменты они не могут. Вот почему бактериям необходимы готовые соединения (витамины, аминокислоты для синтеза белка) и прочие вещества. Эту особенность бактерий широко применяют в биохимических технологиях, регулируя их прирост.
Особенности дыхания клетки
Кислород микроорганизмы воспринимают по-разному:
- анаэробы прекрасно обходятся без воздуха;
- для строгих или облигатных анаэробов наличие молекулярного кислорода недопустимо;
- аэробы живут только в кислородсодержащей среде.
Принцип дыхания бактерий прямо противоположен нашему. Человек извлекает энергию из еды и направляет ее на поддержание жизнедеятельности. Бактерии, напротив, берут энергию в процессе дыхания при биологическом окислении и применяют ее для обмена веществ.
Микроорганизмам нужны разные условия для выживания:
- строгим аэробам необходимо 20% кислорода;
- микроаэрофилы довольствуются меньшим процентом, но кислород им все равно необходим;
- факультативные анаэробные, к которым относится большинство болезнетворных микробов, спокойно существуют в кислородосодержащей среде и бескислородной, меняя типы дыхания;
- для строгих анаэробов наличие свободного кислорода совершенно недопустимо.
Процесс брожения или разложение органики анаэробами сопровождается выбросом энергии. В биотехнологиях широко используются многие виды брожения: спиртовое, молочнокислое, масляно-кислое и т. д. Кстати, выделение тепла при гниении торфа, сена или хлопка иногда приводит к пожарам. Именно этим объясняется, почему торфяники могут самовозгораться в жаркий период.
Почему важны биотехнологии
Биотехнология как наука изучает возможность использования живых организмов и продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач. Одно из направлений биологической технологии – генная инженерия, направленная на изучение генома и создание искусственно выращенных организмов с заранее определенными свойствами. Никому не нужно объяснять, почему это жизненно важно. Строго говоря, выведение различных пород скота или создание новых гибридов растений – это тоже биотехнологии, изменяющие геном живого организма.
Не только инженерия, медицина, фармакология имеют приставку «био». В последнее время активно развивается сравнительно новая дисциплина – биоинформатика. Благодаря математическим методам и высоким технологиям ученые получают возможность исследовать геномы живых существ, построить объемные модели белка, изучить стратегию существования и управления сложных биологических систем.
Генная и клеточная инженерия, нанотехнологии, различные биотехнологии и другие современные разделы науки широко используют особенности одноклеточных, создавая новые формы жизнеспособных организмов, способных помочь человечеству в борьбе за более комфортное и безопасное существование.
Вопрос-ответ
Как человек использует бактерии-помощники?
Широко применяются антибиотики, вакцины, интерферон, гормоны роста человека, диагностические и лечебные препараты бактериального происхождения. А с появлением генетически модифицированных микроорганизмов в настоящее время стало возможным создание в промышленных объемах большого количества лекарственных препаратов.
Какие бактерии относятся к сапротрофам?
К С. Относятся бактерии, актиномицеты, грибы, а также сапрофиты (паразитические цветковые растения и некоторые водоросли). Среди животных сапротрофами (сапрофагами) являются жуки-мертвоеды, кожееды, навозники, личинки некоторых мух, дождевые черви, донные бокоплавы, гиены, грифы, вороны и др.
Советы
СОВЕТ №1
Изучайте микробиом своего организма. Понимание того, какие бактерии обитают в вашем теле, поможет вам лучше заботиться о своем здоровье. Рассмотрите возможность сдачи анализов на микробиом и проконсультируйтесь с врачом о том, как поддерживать баланс полезных и вредных бактерий.
СОВЕТ №2
Соблюдайте правила гигиены, но не переусердствуйте. Чрезмерная стерильность может привести к нарушению баланса микрофлоры. Используйте антисептики и моющие средства разумно, чтобы не уничтожать полезные бактерии.
СОВЕТ №3
Включайте в свой рацион пробиотики и пребиотики. Продукты, содержащие живые бактерии (например, йогурты, кефир, квашеная капуста), а также пребиотики (клетчатка, содержащаяся в фруктах и овощах) помогут поддерживать здоровье вашей микрофлоры.
СОВЕТ №4
Будьте внимательны к антибиотикам. Используйте их только по назначению врача, так как они могут уничтожать как вредные, так и полезные бактерии. После курса антибиотиков рекомендуется восстановить микрофлору с помощью пробиотиков.
