Истинные, бактерии), микроорганизмы с прокариотным типом строения клетки: генетический аппарат у них не заключён в обособленное мембраной клеточное ядро.
Размеры и формы клеток. Большинство бактерий - одноклеточные организмы размером 0,2-10,0 мкм. Встречаются среди бактерий и «карлики», так называемые нанобактерии (около 0,05 мкм), и «гиганты», например бактерии родов Achromatium и Macromonas (длина до 100 мкм), обитатель кишечника рыбы-хирурга Epulopiscium fishelsoni (длина до 600 мкм) и выделенная из прибрежных морских вод Намибии и Чили Thiomargarita namibiensis (до 800 мкм). Чаще бактериальная клетка имеет вид палочки, сферическую (кокки) или извитую (вибрионы, спириллы и спирохеты) форму. Обнаружены виды с треугольными, квадратными, звездчатыми и плоскими (тарелкообразными) клетками. Некоторые бактерии содержат цитоплазматические выросты - простеки. Бактерии могут быть одиночными, образовывать пары, короткие и длинные цепочки, грозди, формировать пакеты по 4, 8 и более клеток (сарцины), розетки, сети и мицелий (актиномицеты). Известны также многоклеточные формы, образующие прямые и ветвящиеся трихомы (микроколонии). Встречаются как подвижные, так и неподвижные бактерии. Первые чаще всего перемещаются с помощью жгутиков, иногда путём скольжения клеток (миксобактерии, цианобактерии, спирохеты и др.). Известно также «прыгающее» движение, природа которого не выяснена. Для подвижных форм описаны явления активного движения в ответ на действия физических или химических факторов.
Химический состав и строение клеток . Бактериальная клетка обычно на 70-80% состоит из воды. В сухом остатке на долю белка приходится 50%, компонентов клеточной стенки 10-20%, РНК 10-20%, ДНК 3-4% и липидов 10%. При этом в среднем количество углерода составляет 50%, кислорода 20%, азота 14%, водорода 8%, фосфора 3%, серы и калия по 1%, кальция и магния по 0,5% и железа 0,2%.
За немногими исключениями (микоплазмы) клетки бактерий окружены клеточной стенкой, которая определяет форму бактерии и выполняет механические и важные физиологические функции. Основным её компонентом является сложный биополимер муреин (пептидогликан). В зависимости от особенностей состава и строения клеточной стенки бактерии по-разному ведут себя при окрашивании по методу Х. К. Грама (датского учёного, предложившего способ окраски), что послужило основанием для деления бактерий на грамположительные, грамотрицательные и на лишённые клеточной стенки (например, микоплазмы). Первые отличаются большим (до 40 раз) содержанием муреина и толстой стенкой; у грамотрицательных она существенно тоньше и покрыта снаружи внешней мембраной, состоящей из белков, фосфолипидов и липополисахаридов и, по-видимому, участвующей в транспорте веществ. У многих бактери на поверхности имеются ворсинки (фимбрии, пили) и жгутики, обеспечивающие их движение. Часто клеточные стенки бактерий окружены слизистыми капсулами различной толщины, образованными главным образом полисахаридами (иногда гликопротеинами или полипептидами). У ряда бактерий обнаружены также так называемый S-слои (от английский surface - поверхность), выстилающие наружную поверхность клеточной оболочки равномерно упакованными белковыми структурами правильной формы.
Цитоплазматическая мембрана, отделяющая цитоплазму от клеточной стенки, служит осмотическим барьером клетки, регулирует транспорт веществ; в ней осуществляются процессы дыхания, азотфиксации, хемосинтез и др. Нередко она образует впячивания - мезосомы. С цитоплазматической мембраной и её производными связан также биосинтез клеточной стенки, спорообразование и т.д. К ней прикреплены жгутики, геномная ДНК.
Бактериальная клетка организована довольно просто. В цитоплазме многих бактерий имеются включения, представленные различного рода пузырьками (везикулами), образованными в результате впячивания цитоплазматической мембраны. Для фототрофных, нитрифицирующих и метанокисляющих бактерий характерна развитая сеть цитоплазматических мембран в виде неразделённых пузырьков, напоминающих граны хлоропластов эукариот. В клетках некоторых обитающих в воде бактерий имеются газовые вакуоли (аэросомы), выполняющие роль регуляторов плотности; у многих бактерий обнаружены включения запасных веществ - полисахаридов, поли-β-гидроксибутирата, полифосфатов, серы и др. В цитоплазме присутствуют также рибосомы (от 5 до 50 тысяч). У некоторых бактерий (например, у многих цианобактерий) имеются карбоксисомы - тельца, в которые заключён фермент, участвующий в фиксации СО 2 . В так называемых параспоральных тельцах некоторых спорообразующих бактерий содержится токсин, убивающий личинок насекомых.
Геном бактерий (нуклеоид) представлен кольцевой молекулой ДНК, которую часто называют бактериальной хромосомой. Для бактериального генома характерно объединение многих функционально связанных генов в так называемые опероны. Кроме того, в клетке могут присутствовать внехромосомные генетические элементы - ДНК плазмид, которые несут несколько полезных для бактерий генов (в том числе гены устойчивости к антибиотикам). Она может существовать автономно или временно включаться в хромосому. Но иногда, в результате мутаций, эта ДНК теряет способность выходить из хромосомы и становится постоянным компонентом генома. Появление новых генов может быть также обусловлено генетическим переносом в результате однонаправленной передачи ДНК из клетки-донора в клетку-реципиент (аналог полового процесса). Такая передача может осуществляться при прямом контакте двух клеток (конъюгация), при участии бактериофагов (трансдукция) или путём попадания генов в клетку из внешней среды без межклеточного контакта. Всё это имеет большое значение для микроэволюции бактерий и приобретения ими новых свойств.
Размножение . Большинство бактерий размножаются путём деления надвое, реже почкованием, а некоторые (например, актиномицеты) — с помощью экзоспор или обрывков мицелия. Известен способ множественного деления (с образованием мелких репродуктивных клеток-баеоцитов у ряда цианобактерий). Многоклеточные прокариоты могут размножаться отделением от трихом одной или нескольких клеток. Некоторые бактерии характеризуются сложным циклом развития, в процессе которого могут меняться морфология клеток и образовываться покоящиеся формы: цисты, эндоспоры, акинеты. Миксобактерии способны образовывать плодовые тела, часто причудливых конфигураций и окрасок.
Отличительной особенностью бактерий является способность к быстрому размножению. Например, время удвоения клеток кишечной палочки (Escherichia coli) составляет 20 минут. Подсчитано, что потомство одной клетки в случае неограниченного роста уже через 48 ч превысило бы массу Земли в 150 раз.
Условия обитания . Бактерии приспособились к разным условиям существования. Они могут развиваться в диапазоне температур от -5 (и ниже) до 113 °С. Среди них выделяют: психрофилов, растущих при температуре ниже 20 °С (для Bacillus psichrophilus, например, предельная температура роста -10 °С), мезофилов (оптимум роста при 20-40 °С), термофилов (50-60 °С), экстремальных термофилов (70 °С) и гипертермофилов (80 °С и выше). Споры отдельных видов бактерий выдерживают кратковременное нагревание до 160-180 °С и длительное охлаждение до -196 °С и ниже. Некоторые бактерии чрезвычайно устойчивы к ионизирующему излучению и живут даже в воде охлаждающих контуров атомных реакторов (Deinococcus radiodurans). Ряд бактерий (барофилы, или пьезофилы) хорошо переносят гидростатическое давление до 101 тысячи кПа, а отдельные виды не растут при давлении ниже 50 тысяч кПа. В то же время есть бактерии, не выдерживающие даже незначительного увеличения атмосферного давления. Большинство видов бактерий не развиваются, если концентрация солей (NaCl) в среде превышает 0,5 моль/л. Оптимальные условия для развития умеренных и экстремальных галофилов наблюдаются в средах с концентрацией NaCl 10 и 30% соответственно; они могут расти даже в насыщенных растворах солей.
Как правило, бактерии предпочитают нейтральные условия среды обитания (pH около 7,0), хотя встречаются как экстремальные ацидифилы, способные к росту при pH 0,1-0,5, так и алкалифилы, развивающиеся при pH до 13,0.
Подавляющее большинство изученных бактерий - аэробы. Некоторые из них могут расти только при незначительной концентрации О 2 - до 1,0-5,0% (микроаэрофилы). Факультативные анаэробы растут как в присутствии О 2 , так и в его отсутствие; они способны переключать метаболизм с аэробного дыхания на брожение или анаэробное дыхание (энтеробактерии). Рост аэротолерантных анаэробов не угнетается в присутствии небольшого количества О 2 , т.к. они не используют его в процессе жизнедеятельности (например, молочнокислые бактерии). Для строгих анаэробов даже следы О 2 в среде обитания являются губительными.
Многие бактерии переживают неблагоприятные условия среды, образуя покоящиеся формы.
Большинство бактерий, утилизирующих соединения азота, как правило, используют его восстановленные формы (чаще всего соли аммония), некоторые нуждаются в готовых аминокислотах, а другие усваивают и его окислённые формы (главным образом нитраты). Значительное число свободноживущих и симбиотических бактерий способны фиксировать молекулярный азот (смотри в статье Азотфиксация). Фосфор, входящий в состав нуклеиновых кислот и других соединений клетки, бактерии получают преимущественно из фосфатов. Источником серы, необходимой для биосинтеза аминокислот и некоторых кофакторов ферментов, чаще всего являются сульфаты; некоторые виды бактерий нуждаются в восстановленных соединениях серы.
Систематика . Официально принятой классификации бактерий нет. Первоначально для этих целей использовалась искусственная классификация, основанная на сходстве их морфологических и физиологических признаков. Более совершенная филогенетическая (естественная) классификация объединяет родственные формы, исходя из общности их происхождения. Такой подход стал возможным после выбора в качестве универсального маркера гена 16S рРНК и появления методов определения и сравнения нуклеотидных последовательностей. Ген, кодирующий 16S рРНК (входит в состав малой субчастицы прокариотической рибосомы), присутствует у всех прокариот, характеризуется высокой степенью консервативности нуклеотидной последовательности, функциональной стабильностью.
Наиболее употребимой является классификация, публикуемая в периодическом издании определителя Бэрджи (Берги); смотри также сайт в Интернете - http://141. 150.157.117:8080/prokPUB/index.htm. По одной из существующих систем организмов, бактерии вместе с археями составляют царство прокариот. Многие исследователи рассматривают их как домен (или надцарство), наряду с доменами (или надцарствами) архей и эукариот. В пределах домена наиболее крупными таксонами бактерий являются филумы: Proteobacteria, включающий 5 классов и 28 порядков; Actinobacteria (5 классов и 14 порядков) и Firmicutes (3 класса и 9 порядков). Кроме того, выделяются таксономические категории более низкого ранга: семейства, роды, виды и подвиды.
По современным представлениям, к одному виду относят штаммы бактерий, у которых последовательности нуклеотидов в генах, кодирующих 16S рРНК, совпадают более чем на 97%, а уровень гомологии нуклеотидных последовательностей в геноме превышает 70%. Описано не более 5000 видов бактерий, которые представляют лишь незначительную их часть среди населяющих нашу планету.
Бактерии активно участвуют в биогеохимических циклах на нашей планете (в том числе в круговороте большинства химических элементов). Современная геохимическая деятельность бактерий имеет также глобальный характер. Например, из 4,3·10 10 тонн (гигатонн) органического углерода, фиксированного в процессе фотосинтеза в Мировом океане, около 4,0·10 10 тонн минерализуется в водной толще, причём 70-75% из них - бактериями и некоторыми другими микроорганизмами, а суммарная продукция восстановленной серы в осадках океана достигает 4,92·10 8 тонн в год, что почти в три раза превышает суммарную годовую добычу всех видов серосодержащего сырья, используемого человечеством. Основная часть парникового газа - метана, поступающего в атмосферу, образуется бактериями (метаногенами). Бактерии являются ключевым фактором почвообразования, зон окисления сульфидных и серных месторождений, образования железных и марганцевых осадочных пород и т. д.
Некоторые бактерии вызывают тяжёлые заболевания у человека, животных и растений. Нередко они становятся причиной порчи сельскохозяйственной продукции, разрушения подземных частей зданий, трубопроводов, металлических конструкций шахт, подводных сооружений и т. д. Изучение особенностей жизнедеятельности этих бактерий позволяет разработать эффективные способы защиты от вызываемых ими повреждений. В то же время положительную роль бактерий для человека невозможно переоценить. С помощью бактерий получают вино, молочные продукты, закваски и другие продукты, ацетон и бутанол, уксусную и лимонную кислоты, некоторые витамины, ряд ферментов, антибиотики и каротиноиды; бактерии участвуют в трансформации стероидных гормонов и других соединений. Их используют для получения белка (в том числе ферментов) и ряда аминокислот. Применение бактерий для переработки сельскохозяйственных отходов в биогаз или этанол даёт возможность создания принципиально новых возобновляемых энергетических ресурсов. Бактерии используют для извлечения металлов (в том числе золота), увеличения нефтеотдачи пластов (смотри в статьях Бактериальное выщелачивание, Биогеотехнология). Благодаря бактериям и плазмидам стало возможным развитие генетической инженерии. Изучение бактерий сыграло огромную роль в становлении многих направлений биологии, в медицине, агрономии и др. Велико их значение в развитии генетики, т.к. они стали классическим объектом для изучения природы генов и механизмов их действия. С бактериями связано установление путей метаболизма различных соединений и др.
Потенциал бактерий в практическом отношении неисчерпаем. Углубление знаний об их жизнедеятельности открывает новые направления эффективного использования бактерий в биотехнологии и других отраслях промышленности.
Лит.: Шлегель Г. Общая микробиология. М., 1987; The Prokaryotes: Electronic release 3.0-3.17-. N. Y., 1999-2004-; Заварзин Г. А., Колотилова Н. Н. Введение в природоведческую микробиологию. М., 2001; Madigan М. Т., Martinko J., Parker J. Brock biology of microorganisms. 10th ed. Upper Saddle River, 2003; Экология микроорганизмов. М., 2004.
Бактерии - одни из самых древних организмов на Земле. Несмотря на простоту своего строения, они живут во всех возможных средах обитания. Больше всего их насчитывается в почве (до нескольких миллиардов бактериальных клеток на 1 грамм почвы). Много бактерий в воздухе, воде, пищевых продуктах, внутри тел и на телах живых организмов. Бактерии были обнаружены в тех местах, где другие организмы жить не могут (на ледниках, в вулканах).
Обычно бактерия - это одна клетка (хотя бывают колониальные формы). Причем эта клетка очень мелкая (от долей мкм до нескольких десятков мкм). Но главной особенностью бактериальной клетки является отсутствие клеточного ядра. Другими словами, бактерии принадлежат прокариотам .
Бактерии бывают подвижными и неподвижными. В случае неподвижных форм передвижение осуществляется с помощью жгутиков. Их может быть несколько, а может быть только один.
Клетки разных видов бактерий могут сильно отличаться между собой по форме. Бывают шаровидные бактерии (кокки ), палочковидные (бациллы ), похожие на запятую (вибрионы ), извитые (спирохеты, спириллы ) и др.
Строение бактериальной клетки
У клеток многих бактерий имеется слизистая капсула . Она выполняет защитную функцию. В частности, защищает клетку от высыхания.
Как и у клеток растений, у бактериальных клеток есть клеточная стенка . Однако, в отличие от растений, ее строение и химический состав несколько иной. Клеточная стенка состоит из слоев сложного углевода. Ее строение таково, что позволяет проникать различным веществам внутрь клетки.
Под клеточной стенкой находится цитоплазматическая мембра н а .
Бактерии относятся к прокариотам, так как в их клетках нет оформленного ядра. Они не имеют и хромосом, характерных для клеток эукариот. В состав хромосомы входит не только ДНК, но и белок. У бактерий же их хромосома состоит только из ДНК и представляет собой кольцевую молекулу. Такой генетический аппарат бактерий называется нуклеоид . Нуклеоид находится прямо в цитоплазме, обычно в центре клетки.
У бактерий нет настоящих митохондрий и ряда других клеточных органелл (комплекса Гольджи, эндоплазматической сети). Их функции выполняют впячивания клеточной цитоплазматической мембраны. Такие впячивания называются мезосомами .
В цитоплазме есть рибосомы , а также различные органические включения : белки, углеводы (гликоген), жиры. Также клетки бактерий могут содержать различные пигменты . В зависимости от наличия тех или иных пигментов или их отсутствия, бактерии могут быть бесцветными, зелеными, пурпурными.
Питание бактерий
Бактерии возникли на заре формирования жизни на Земле. Именно они «открыли» различные способы питания. Лишь потом, с усложнением организмов, четко выделились два крупных царства: Растения и Животные. Они отличаются между собой в первую очередь по способу питания. Растения являются автотрофами, а животные - гетеротрофами. У бактерий же встречаются оба типа питания.
Питание - это способ получения клеткой или организмом необходимых органических веществ. Их можно получить из вне или синтезировать самостоятельно из неорганических веществ.
Автотрофные бактерии
Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. Процесс синтеза требует энергии. В зависимости от того, откуда автотрофные бактерии получают эту энергию их делят на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.
Фотосинтезирующие бактерии используют энергию Солнца, улавливая его излучение. В этом они сходны с растениями. Однако, если у растений в процессе фотосинтеза выделяется кислород, то у большинства фотосинтезирующих бактерий он не выделяется. То есть бактериальный фотосинтез анаэробен. Также зеленый пигмент бактерий отличается от аналогичного пигмента растений и называется бактериохлорофиллом . У бактерий нет хлоропластов. В основном фотосинтезирующие бактерии обитают в водоемах (пресных и соленых).
Хемосинтезирующие бактерии для синтеза органических веществ из неорганических используют энергию различных химических реакций. Энергия выделяется не во всех реакциях, а только в экзотермических. Некоторые такие реакции протекают в бактериальных клетках. Так в нитрифицирующих бактериях протекает реакция окисления аммиака в нитриты и нитраты. Железобактерии окисляют закисное железо в окисное. Водородные бактерии окисляют молекулы водорода.
Гетеротрофные бактерии
Гетеротрофные бактерии не способны синтезировать органические вещества из неорганических. Поэтому вынуждены получать их из окружающей среды.
Бактерии, питающиеся органическими остатками других организмов (в том числе мертвыми телами), называются бактериями-сапрофитами . По-другому их называют бактериями гниения. Таких бактерий много в почве, где они разлагают перегной до неорганических веществ, которые впоследствии используются растениями. Молочнокислые бактерии питаются сахарами, превращая их в молочную кислоту. Маслянокислые бактерии разлагают органические кислоты, углеводы, спирты до масляной кислоты.
Клубеньковые бактерии живут в корнях растений и питаются за счет органических веществ живого растения. Однако они связывают азот из воздуха и обеспечивают им растение. То есть в данном случае имеет место симбиоз. Другие гетеротрофные бактерии-симбионты обитают в пищеварительном аппарате животных, помогая переваривать пищу.
В процессе дыхания происходит разрушение органических веществ с высвобождением энергии. Эта энергия в последствии тратится на различные процессы жизнедеятельности (например, на движение).
Эффективным способом получения энергии является кислородное дыхание. Однако некоторые бактерии могут получать энергию без кислорода. Таким образом, существуют аэробные и анаэробные бактерии.
Аэробным бактериям необходим кислород, поэтому они обитают в местах, где он есть. Кислород участвует в реакции окисления органических веществ до углекислого газа и воды. В процессе такого дыхания бактерии получают относительно большое количество энергии. Такой способ дыхания характерен для подавляющего числа организмов.
Анаэробные бактерии не нуждаются в кислороде для дыхания, поэтому могут обитать в бескислородной среде. Энергию они получают за счет реакции брожения . Данный способ окисления малоэффективен.
Размножение бактерий
В большинстве случаев для бактерий характерно размножение путем деления их клетки надвое. Перед этим происходит удвоение кольцевой молекулы ДНК. Каждая дочерняя клетка получает одну из этих молекул и, следовательно, является генетической копией материнской клетки (клоном). Таким образом, для бактерий характерно бесполое размножение .
В благоприятных условиях (при достаточном количестве питательных веществ и благоприятных условиях окружающей среды) бактериальные клетки делятся очень быстро. Так от одной бактерии за сутки могут образоваться сотни миллионов клеток.
Хотя бактерии размножаются бесполым путем, в ряде случаев у них наблюдается так называемый половой процесс , который протекает в форме конъюгации . При конъюгации две разные бактериальные клетки сближаются, между их цитоплазмами устанавливается связь. Части ДНК одной клетки переходят во вторую, а части ДНК второй клетки - в первую. Таким образом, при половом процессе у бактерий происходит обмен генетической информации. Иногда при этом бактерии обмениваются не участками ДНК, а целыми молекулами ДНК.
Споры бактерий
Подавляющее большинство бактерий в неблагоприятных условиях образуют споры. Споры бактерий - это в основном способ переживания неблагоприятных условий и способ расселения, а не способ размножения.
При образовании споры цитоплазма бактериальной клетки сжимается, а сама клетка покрывается плотной толстой защитной оболочкой.
Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в течении длительного времени и способны переживать очень неблагоприятные условия (крайне высокие и низкие температуры, высыхание).
Когда спора попадает в благоприятные условия, то происходит ее набухание. После этого защитная оболочка сбрасывается, и появляется обычная бактериальная клетка. Бывает, что при этом происходит деление клетки, и образуется несколько бактерий. То есть спорообразование сочетается с размножением.
Значение бактерий
Огромна роль бактерий в круговороте веществ в природе. В первую очередь это относится к бактериям гниения (сапрофитам). Их называют санитарами природы . Разлагая остатки растений и животных, бактерии превращают сложные органические вещества в простые неорганические (углекислый газ, воду, аммиак, сероводород).
Бактерии повышают плодородие почвы, обогащая ее азотом. В нитрифицирующих бактериях протекают реакции, в процессе которых из аммиака образуются нитриты, а из нитритов - нитраты. Клубеньковые бактерии способны усваивать атмосферный азот, синтезируя азотистые соединения. Они живут в корнях растений, образуя клубеньки. Благодаря этим бактериям, растения получают необходимые им азотистые соединения. В основном в симбиоз с клубеньковыми бактериями вступают бобовые растения. После их отмирания почва обогащается азотом. Это нередко используется в сельском хозяйстве.
В желудке жвачных животных бактерии разлагают целлюлозу, что способствует более эффективному пищеварению.
Велика положительная роль бактерий в пищевой промышленности. Многие виды бактерий используются для получения молочнокислых продуктов, сливочного масла и сыра, квашения овощей, а также в виноделии.
В химической промышленности бактерии используются при получении спиртов, ацетона, уксусной кислоты.
В медицине с помощью бактерий получают ряд антибиотиков, ферментов, гормонов и витаминов.
Однако бактерии могут приносить и вред. Они не просто портят продукты питания, но своими выделениями делают их ядовитыми.
Которые не имеют ядра. Боль-шинство бактерий являются гетеротрофами, но есть и автотрофы. Размножаются делением. При наступлении небла-гоприятных условии некоторые бактерии образуют споры.
Бактерии можно увидеть только в микроскоп, по-этому их называют микроорганизмами. Микроорганизмы изучает наука микробиология. Раздел микробиологии, изу-чающий бактерии, называется бактериологией.
Первым увидел и описал бактерии голландский естествоиспытатель Антони ван Левен-гук (1632-1723). Он научился шлифовать стекла и изготав-ливать линзы. Левенгук изготовил более 400 микроскопов и открыл мир микроскопических организмов — бактерий и протистов .
Когда мы слышим о бактериях, то чаще всего представля-ем себе больное горло или десны, несмотря на то что только небольшая часть бактерий вызывает заболевания. Большин-ство же этих организмов выполняет другие важные функции.
С бактериями мы начинаем контактировать с первых ча-сов жизни. Многие из них постоянно живут на поверхно-сти кожи человека. Еще больше их на зубах, деснах, языке и стенках ротовой полости . Во рту живет больше бактерий, чем людей на Земле! Но самое большое их количество обита-ет в кишечнике — до 5 кг у взрослого человека.
Бакте-рии встречаются везде: в воде, почве, воздухе, в тканях рас-тений, телах животных и человека. Они живут там, где на-ходят достаточно пищи, влаги и благоприятную температуру (10-40 °С). Большинству из них необходим кислород. Есть также бактерии, которые живут в горячих источниках (с температурой 60-90 °С), экстремально соленых водоемах, в жерлах вулканов, глубоко в океанах, куда не проникает солнечный свет. Даже в самых холодных регионах (Антарк-тике) и на высоких горных вершинах живут бактерии.
В разных местах встречается различное количество бакте-рий. Меньше всего их в воздухе, особенно в природных усло-виях. А в местах скопления людей, например в кинотеатрах, на вокзалах, в классах, их значительно больше. Поэтому не-обходимо часто проветривать помещения.
В водах рек, особенно вблизи больших городов, бакте-рий может быть очень много — до нескольких сотен тысяч в 1 мм 3 . Поэтому нельзя пить сырую воду из открытых водоемов. Очень много бактерий в воде морей и океанов.
Еще больше бактерий в почве — до 100 млн в 1 г гумуса (плодородного слоя почвы).
Бактерии очень маленькие организмы. Самые боль-шие бактерии можно увидеть под световым микроскопом.
Для знакомства с самыми ма-ленькими требуется электрон-ный микроскоп (рис. 7).
Большинство бактерий, кото-рые населяют наш дом и наше тело, имеют форму шариков, па-лочек и спиралей. Шаровидные бактерии носят название кокки, палочковидные — бациллы, спи-ралевидные — спириллы (рис. 9). Некоторые бактерии образуют це-почки, располагаясь вплотную друг к другу.
Рассмотрите строение бактериальной клетки на рисун-ке 10. Она включает цитоплазму, окруженную цитоплазма-тической мембраной и клеточной оболочкой (клеточной стен-кой). Оболочка придает бактерии определенную форму и слу-жит защитой от неблагоприятных условий.
Дополнительную защиту многим бактериям даст слизи-стый слой, расположенный с наружной стороны оболочки. Поверхность клетки бактерии покрывают многочисленные ворсинки, которые пред-ставляют собой полые вы-росты цитоплазматиче-ской мембраны. Некото-рые бактерии имеют один или несколько нитевид-ных жгутиков.
Главное отличие бак-терий — отсутствие ядра, т. е. они — прокариоты.
Именно на этом основании их выделяют в отдельное царство. Ядерный материал у бактерий — бактериальная хромосома: она несет наследственную информацию.
Большинство бактерий являются гетеротрофами. Они потребляют готовые органические ве-щества. Пищей им служат живые и мертвые организмы, про-дукты питания человека, сточные воды и т. д.
Сапротрофы
Одни гетеротрофные бактерии используют органические вещества мертвых тел или выделений живых организмов. Это сапротрофы (от греч. сапрос — гнилой и трофос — пи-тание).
Существуют также автотрофные бактерии. Они спо-собны образовывать органические вещества из неорганиче-ских (углекислого газа, воды, сероводорода и др.). У авто-трофных фотосинтезирующих бактерий в клетках содер-жится бактериальный хлорофилл, с помощью которого они под действием солнечной энергии образуют органические вещества.
Цианобактерии
Примером автотрофных бактерий могут служить цианобактерии. Они производят собственную пищу из углекислого газа и воды под действием солнечного света. При этом выделяют кислород, обогащая им среду обитания .
Бактерии размножаются пу-тем деления. При этом из одной материнской клетки об-разуются две дочерние клетки, похожие на материнскую. При благоприятных условиях (достаточном питании, влаж-ности и температуре от 10 до 30 °С) бактерии могут делить-ся каждые 20-30 мин, поэтому их число очень быстро воз-растает. Материал с сайта
Если культивировать (выра-щивать) бактерии на питатель-ной среде в благоприятных условиях, они очень быстро размножаются и образуют колонии до 4 млрд клеток. Колонии бактерий определенных видов име-ют характерные очертания и окра-ску (рис. 8). По виду колоний можно установить наличие определенных бактерий в том или ином материале.
Некоторые бактерии двигаются с помощью жгутиков. Основание жгутика вращается, и он как бы ввинчивается в среду, обеспечивая передвижение бакте-рии. Большинство же бактерий передвигаются пассивно: одни с помощью потоков воздуха, другие по течению воды. Так осуществляется их распространение.
В неблагоприятных условиях (при не-достатке нищи, влаги, резких колебаниях температуры) бак-терии могут превращаться в спо-ры. Цитоплазма вблизи бактери-альной хромосомы уплотняется. Вокруг нее образуется очень проч-ная оболочка. Образовавшиеся та-ким путем споры могут существо-вать сотни лет (рис. 11).
Бактерии – мельчайшие древнейшие микроорганизмы, невидимые невооруженным глазом. Лишь под микроскопом можно рассмотреть их строение, вид и взаимодействие друг с другом. Первые микроорганизмы имели примитивное строение, они развивались, мутировали, создавали колонии, приспосабливались под меняющуюся среду обитания. Бактерии разных видов обмениваются друг с другом аминокислотами, которые необходимы для роста и развития.
Виды бактерий
В школьных учебниках биологии размещены изображения разных видов бактерий, отличающихся по форме:
- Кокки – шарообразные организмы, отличающиеся по взаимному расположению. Под микроскопом заметно, что стрептококки представляют цепочку шариков, диплококки живут попарно, стафилококки – скопления произвольной формы. Ряд кокков вызывает различные воспалительные процессы, попадая в организм человека (гонококк, стафилококк, стрептококк). Не все кокки, живущие в организме человека, являются патогенными. Условно патогенные виды принимают участие в формировании защиты организма от внешних воздействий и безопасны при соблюдении баланса флоры.
- Палочковидные отличаются формой, размером и способностью к спорообразованию. Спорообразующие виды называются бациллами. К бациллам относятся: палочка столбняка, палочка сибирской язвы. Споры – это образования внутри микроорганизма. Споры нечувствительны к химической обработке, их устойчивость к внешним воздействиям – залог сохранения вида. Известно, что споры разрушаются при высокой температуре (выше 120ºС).
Формы палочковидных микробов:
- с заостренными полюсами, как у фузобактерии, входящей в состав нормальной микрофлоры верхних дыхательных путей;
- с утолщенными полюсами, напоминающими булаву, как у коринебактерии – возбудителя дифтерии;
- с закругленными концами, такими как у кишечной палочки, которая необходима для процесса пищеварения;
- с прямыми концами, как у палочки-возбудителя сибирской язвы.
Большинство палочковидных бацилл и бактерий по отношению друг к другу располагаются хаотично. Можно выделить стрептобактерии (стрептобациллы), которые расположены цепочкой, и диплобактерии (диплобациллы), существующие в паре.
3. Спириллы и спирохеты – микроорганизмы извитой формы. Они не образуют спор, очень подвижны. Под микроскопом можно увидеть их быстрые движения. Большинство спирилл безопасны для человека и животных. Это сапрофиты, питаются неживыми субстратами. Исключение составляют виды, вызывающие содоку. Спирохеты более опасны для человека и животных, способны вызывать заболевания кожных покровов, дыхательных путей, ЖКТ. Спириллы отличаются от спирохет меньшим количеством завитков и наличием жгутиков на полюсах.
4. Вибрионы – вибрирующие микробы. При рассмотрении под микроскопом можно увидеть их вибрирующие движения. Микроорганизм меняется в зависимости от условий среды обитания. Вибрионы бывают спиралевидной, палочковидной, нитевидной, шаровидной формы. Самым опасным для человека является вибрион холеры.
Грам(+) и грам (-)
Датский микробиолог Ганс Грам более 100 лет назад провел опыт, после которого все бактерии стали относиться к грамположительным и грамотрицательным. Грамположительные организмы создают с окрашивающим веществом длительную устойчивую связь, которая усиливается при воздействии йода. Грамотрицательные, наоборот, не восприимчивы к красителю, их оболочка прочно защищена.
К грамотрицательным микробам относятся хламидии, риккетсии, к грамположительным – стафилококки, стрептококки, коринебактерии.
Сегодня в медицине широко используется тест на грамм(+) и грамм(-) бактерии. Окрашивание по Граму является одной из методик исследования слизистых оболочек на определение состава микрофлоры.
Аэробные и анаэробные
Самые примитивные бактерии живут глубоко под водой. Для развития им не нужен доступ к кислороду. Более развитые колонии выбрались на сушу и живут на поверхностях. Для размножения и развития колонии этим микроорганизмам нужен кислород. Учитывая зависимость от кислорода, группы микроорганизмов носят названия аэробных и анаэробных.
Аэробные микроорганизмы нуждаются в кислороде для развития и дыхания:
Облигатные аэробы – эти бактерии свободно живут во внешней среде. В качестве примера можно привести туберкулезную палочку, которая устойчива к окружающей среде, сохраняется в воде до 5 месяцев, а во влажном, теплом и темном помещении до 7 лет.
Микроаэрофилы – этим микробам достаточно 2% содержания кислорода для нормальной жизни и развития. Ими являются стрептококки, вызывающие фарингит, скарлатину и живущие в дыхательных путях. При выращивании микробов в жидкой среде эти организмы скапливаются недалеко от поверхности, там, где содержание кислорода невысокое.
Анаэробные микроорганизмы способны расти и размножаться без кислорода:
- облигатные анаэробы избегают молекулярного кислорода (например, фузобактерии);
- факультативные способны к росту и развитию в присутствии кислорода и без него, это могут быть стрептококки, гонококки;
- аэротолерантные микроорганизмы не используют кислород для развития, хотя растут в присутствии молекулярного кислорода, как бактерии молочнокислого брожения.
Как живут бактерии
Биологи определяют бактерии в отдельное царство, они отличаются от других живых существ. Это одноклеточный организм без ядра внутри. Их форма может быть в виде шарика, конуса, палочки, спирали. Для перемещения прокариоты пользуются жгутиками.
Биопленка – это город для микроорганизмов, проходит несколько стадий формирования:
- Адгезия или сорбция – прикрепление микроорганизма к поверхности. Как правило, пленки образуются на границе двух сред: жидкость и воздух, жидкость и жидкость. Первоначальный этап обратим, формирование пленки можно предотвратить.
- Фиксация – бактерии выделяют полимеры, обеспечивая их прочное закрепление, формируют матрикс для прочности и защиты.
- Созревание – микробы сливаются, обмениваются питательными веществами, развиваются микроколонии.
- Этап роста – идет накопление бактерий, их слияние, вытеснение. Количество микроорганизмов составляет от 5 до 35%, все остальное пространство занимает межклеточный матрикс.
- Дисперсия – от пленки периодически отрываются микроорганизмы, которые прикрепляются к другим поверхностям и образуют биопленку.
Процессы, происходящие в биопленке, отличаются от того, что происходит с микробом, который не является составной частью колонии. Колонии стабильны, микробы организуют единую систему поведенческих реакций, определяя взаимодействие членов внутри матрикса и вне пленки. Слизистые оболочки человека населены большим количеством микроорганизмов, которые продуцируют гель для защиты и обеспечивают стабильность функционирования органов. Примером может служить слизистая оболочка желудка. Известно, что хеликобактер пилори, которые считаются причиной язвенной болезни желудка, есть более чем у 80% обследованных людей, но при этом язвенная болезнь развивается не у всех. Предполагают, что хеликобактер пилори, являясь членами колонии, участвуют в пищеварении. Их способность приносить вред проявляется лишь после создания определенных условий.
Взаимодействие бактерий в биопленках еще мало изучено. Но уже сегодня некоторые микробы стали помощниками человека при проведении реставрационных работ, увеличении прочности покрытий. В Европе производители дезинфектантов предлагают обрабатывать поверхности бактериальными растворами, содержащими безопасные микроорганизмы, которые не дают развиваться патогенной флоре. Бактерии используются для создания полимерных соединений, а также в перспективе будут вырабатывать электричество.
Строение
Бактерии - очень мелкие живые организмы. Их можно видеть только под микроскопом с очень сильным увеличением. Все бактерии одноклеточные. Внутреннее строение клетки бактерий не похоже на клетки растений и животных. У них нет ни ядра, ни пластид. Ядерное вещество и пигменты имеются, но в "распыленном" состоянии. Форма разнообразна.
Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой – клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи – капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула – не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.
На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.
Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, - нуклеиновая кислота – ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.
Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.
Образование спор
Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий. Споры – не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях. Споры у бактерий служат для перенесения неблагоприятных условий. Они образуются из внутренней части содержимого клетки. При этом вокруг споры формируется новая, более плотная оболочка. Споры могут переносить очень низкие температуры (до - 273 °С) и очень высокие. Споры не погибают при кипячении воды.
Питание
Многие бактерии имеют хлорофилл и другие пигменты. Они осуществляют фотосинтез, подобно растениям (цианобактерии, пурпурные бактерии). Другие бактерии получают энергию из неорганических веществ - серы, соединений железа и других, но источник углерода, как и при фотосинтезе, - углекислый газ.
Размножение
Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее. После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.
При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес – 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.
Роль бактерий в природе. Распространение и экология
Бактерии распространены повсеместно: в водоемах, воздухе, почве. В воздухе их меньше всего (но не в местах скопления людей). В водах рек их может быть до 400 000 в 1 см 3 , а в почве - до 1 000 000 000 в 1 г. Бактерии по-разному относятся к кислороду: для одних он необходим, для других губителен. Для большинства бактерий наиболее благоприятны температуры между +4 и +40 °С. Прямой солнечный свет вызывает гибель многих бактерий.
Встречаясь в огромном количестве (число их видов достигает 2500), бактерии играют исключительно важную роль во многих природных процессах. Вместе с грибами и почвенными беспозвоночными животными они участвуют в процессах разложения растительных остатков (опадающие листья, ветки и т.п.) до перегноя. Деятельность сапрофитных бактерий приводит к образованию минеральных солей, которые усваиваются корнями растений. Клубеньковые бактерии, живущие в тканях корней мотыльковых, а также некоторые свободноживущие бактерии обладают замечательной способностью усваивать атмосферный азот, недоступный для растений. Таким образом, бактерии участвуют в круговороте веществ в природе.
Микрофлора почвы. Количество бактерий в почве чрезвычайно велико – сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв. На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков. Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора – один из факторов образования почв. Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, - ризосферной микрофлорой.
Микрофлора водоёмов. Вода – природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается. Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая – 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные. По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.
Микрофлора воздуха.
Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем
микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время
могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от
недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество
микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени
года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем
микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными
предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над
лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше
микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий,
которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.
Микрофлора организма человека.
Тело человека, даже полностью здорового,
всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с
воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том
числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто
загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные
палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов.
Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками – прекрасная среда
для развития микроорганизмов. Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная
масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция
становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках
микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с
экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном
шаре. Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце,
печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы
попадают только во время болезни.
Значение бактерий в жизни человека
Большое значение имеют процессы брожения; так называют в основном разложение углеводов. Так, в результате брожения молоко превращается в кефир и другие продукты; силосование кормов - тоже брожение. Брожение происходит и в кишечнике человека. Без соответствующих бактерий (например, кишечной палочки) кишечник нормально не может функционировать. Гниение, полезное в природе, крайне нежелательно в быту (например, порча мясных продуктов). Не всегда полезно и брожение (например, скисание молока). Чтобы продукты не портились, их солят, сушат, консервируют, держат в холодильниках. Таким образом снижают деятельность бактерий.
Патогенные бактерии
