Бактерии - это простейшие микроорганизмы. Наиболее часто они имеют всего лишь одну клетку. В природе встречаются как полезные, так и вредные для человека и окружающего мира микроорганизмы. Так или иначе, всех их объединяет примитивное строение и небольшой размер. Прочитав статью, вы можете выяснить, как бактерии питаются, размножаются и дышат.
Общая информация о бактериях
Бактерии - надцарство прокариотных микроорганизмов. Сегодня известно свыше пяти тысяч его представителей. Ученые утверждают, что на самом деле микроскопических существ гораздо больше. Бактериология - раздел науки, который изучает простейшие микроорганизмы.
Их размер в среднем составляет 0,5-5 мкм. Все они делятся на две подгруппы - одноклеточные и многоклеточные. Первые осуществляют абсолютно все процессы, которые присущи живому организму. Стоит отметить, что большинство бактерий подвижны.
Термин "бактерия" как самостоятельная единица возник в конце 70-х годов прошлого века. Ранее он являлся синонимом прокариотов. В результате исследований в 1977 году было установлено, что они разделяются на две подгруппы. К одной из них и применяется понятие "бактерия".
Процесс дыхания у бактерий
Для воспроизведения процесса дыхания многим микроорганизмам, так же как и людям, необходим кислород. Такие представители называются аэробами. Однако есть и те бактерии простейшие, которые не нуждаются в воздухе. Кислород для таких микроскопических существ - это своеобразный яд. Их научное название - анаэробы.
Они проживают в верхних, а также рыхлых слоях грунта, в пищевых продуктах и воде. Совершают свою жизнедеятельность на большой глубине в почве, водоемах, а также непосредственно в иле. Стоит отметить, что дыхание бактерий аэробных невозможно там, где обитают анаэробы.
Известно, что у микроорганизмов существует два способа питания. Гетеротрофные организмы - это микроскопические существа, которые используют для своего развития готовые органические вещества. Ко второй группе относятся автотрофы - микроорганизмы, которые сами обеспечивают себя питанием. Это цианобактерии, железобактерии, а также серобактерии. Первые играют важную роль в процессе фотосинтеза. Именно цианобактерии создают из неорганических веществ органические.
Сапрофиты - это бактерии, питающиеся мертвыми органическими веществами. Они извлекают питательные микроэлементы из неживого материала, а затем оставляют там свои ферменты. Они усваивают растворенные вещества.
Симбионты - это бактерии, которые не только проживают совместно с другими организмами, но и приносят им неоценимую пользу. Например, такие микроскопические существа живут в клубнях бобовых. Они усваивают азот, который является удобрением для растения. В организме человека и животного также присутствуют симбионты. Они позволяют максимально качественно переработать полученную пищу, а также выделяют неоценимо важные для здоровья витамины.
Полезные свойства бактерий
Удивительно, но общий вес микроорганизмов, которые заполняют наш организм, составляет около двух килограммов. Полезные бактерии, которые населяют тело того или иного живого существа, называются микробиотой. В каждом организме их больше миллиона. Микробиота отвечает за крепкое здоровье. Полезные бактерии защищают организм от болезнетворных микроорганизмов.
Самая главная зона распределения микробиоты - это кишечник. Полезные бактерии создают там кислую среду, которую не переносят болезнетворные организмы.
Естественная защита
В свойства бактерий, которые находятся в дыхательных путях человека и на поверхности его кожи, входит защита своей среды обитания. Наиболее опасными болезнетворными микроорганизмами, которые атакуют данные зоны, являются стрептококк, стафилококк и микрококк.
За последние несколько веков естественная защита кожи человека претерпела много значительных изменений. Это связано с тем, что общество перешло от тесной взаимосвязи с природой к постоянному контакту с химическими веществами. Ученые доказали, что набор микробиоты, который находится на поверхности кожи сегодня, существенно отличается от того, который существовал ранее.
Восстановление микромира
Известно, что микробиота того или иного организма достаточно быстро обновляется. Питание бактерий напрямую зависит от рациона их носителя. Наиболее опасны для микроорганизмов продукты, которые содержат антибиотики, консерванты и искусственные красители. Эти вещества уничтожают естественный микромир человека. С этим в дальнейшем могут быть связаны самые разнообразные проблемы со здоровьем.
Достаточно важно понимать, что микромир требует тщательного внимания. Настоятельно рекомендуем периодически восстанавливать микробиоту для предотвращения целого ряда заболеваний. Для этого необходимо использовать курс пробиотиков. Для поддержания собственного микромира потребуется употреблять больше овощей, делать разгрузочные дни и завтракать натуральной кашей.
Многих интересует вопрос о том, как питаются бактерии, которые находятся в нашем организме. Мы выяснили, что полезные микроорганизмы употребляют то же самое, что и их носитель. Именно по этой причине для поддержания крепкого иммунитета в первую очередь необходимо пересмотреть свой рацион.
Ферменты для улучшения общего состояния
Пожалуй, каждый из нас знаком с ситуацией, когда после переедания заметно ухудшается общее состояние здоровья. В таком случае незаменимыми окажутся ферменты бактерий. Где их можно найти и как именно они действуют на организм человека?
Многие отмечают, что после праздничных излишеств они чувствуют себя плохо на протяжении нескольких дней. Они жалуются на дисбактериоз, слабость и отсутствие аппетита. Все эти симптомы свидетельствуют о том, что вредоносные бактерии пытаются вытеснить здоровых. Чтобы справиться с таким процессом и восстановить хорошее самочувствие, необходимо включить в рацион продукты, которые имеют в своем составе ферменты бактерий. К ним относится творог, твердый сыр, кефир, мацони, ряженка и другое кисломолочное продовольствие. Специалисты также рекомендуют принимать препараты, которые содержат пробиотики. Перед тем как начать лечение, настоятельно рекомендуем проконсультироваться со своим лечащим врачом.
Сенсационное открытие. Бактерии, которые питаются пластиком
Строение и жизнедеятельность бактерий вызывает интерес у биологов со всего мира. Они считают, что микроорганизмы не так примитивны, как кажется. Это подтверждает и открытие, сделанное группой китайских биохимиков и микробиологов. Два года назад они обнаружили бактерии, которые питаются пластиком. По мнению ученых, это позволит спасти планету от экологической катастрофы.
Открытие было сделано совершенно случайно. Руководитель группы отмечает, что у него дома всегда царит легкий беспорядок. Однажды он заметил, что в полиэтиленовом пакете с остатками крупы присутствует огромное количество мелких личинок, которые поедают одноразовую упаковку. Этот случай натолкнул исследователя на мысль, что это может помочь спасти планету от глобального загрязнения.
Проведя целый ряд экспериментов, руководитель группы узнал, что личинки не только едят пластик и полиэтилен, но и переваривают его. Выяснилось, что это происходит благодаря тому, что в кишечнике гусеницы находится целый ряд бактерий. Именно они и переваривают токсические вещества. Группа ученых расположила подопытных личинок на поверхности полиэтилена. Удивительно, но уже через месяц они рассматривали пакет под микроскопом. Питание бактерий позволяет не отправлять пластик на переработку, а уничтожать его в кратчайшие сроки.
Среда обитания вредоносных бактерий
Чтобы уберечь себя от целого ряда вредоносных бактерий, необходимо как можно чаще мыть руки. Для большего эффекта всегда используйте дезинфектор.
Размножение микроорганизмов
Для тех, кто желает узнать больше о простых микроорганизмах, важно не только то, как бактерии питаются, но и то, как они размножаются. Данная информация интересует многих начинающих микробиологов. Большая часть бактерий размножается путем деления клетки на две части. В случае если микроорганизм имеет овальную форму, то он может разделится только поперек. Существуют также виды, которые размножаются почкованием. Половой процесс встречается крайне редко и, как правило, только у кишечной палочки.
Процесс размножения у бактерий происходит достаточно быстро. Тем не менее деление может проходить только при определенных обстоятельствах. При неблагоприятных условиях, некоторые подвиды бактерий могут образовывать споры. Удивительно, но с одной клетки может появиться несколько миллиардов особей. Большая часть молодого потомства погибает в результате воздействия неблагоприятных условий окружающей среды.
Подводим итоги
Бактерии - это простейшие организмы, которые окружают нас повсюду. Они могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Многие микробиологи считают, что бактерии не так просты, как кажется. Уже сегодня известны микроорганизмы, которые могут помочь справиться с экологической катастрофой во всем мире. В нашей статье вы можете выяснить не только как бактерии питаются, но и узнать, как они размножаются и дышат.
Возникновение жизни – главный вопрос, который всегда волновал разумное человечество. Ответы на него менялись так часто, как и представление человека о мироустройстве. При этом могли уживаться как версии о божественной природе жизни, так и предположения о том, что жизнь рождается сама по себе: кинь ветошь в угол избы – и через какое-то время из этой ветоши родятся мыши. Справедливости ради стоит отметить, что точка в этом вопросе не поставлена и сегодня. Более того, современная наука даже не может ответить на вопрос о том, что же такое жизнь. А вот в чем единодушны ученые-естествоиспытатели, так это в том, что, скорее всего, самыми первыми органическими существами на планете Земля были первые бактерии.
Принять то, что органическая жизнь развилась из простейшего одноклеточного, которого не во всякий микроскоп разглядишь, непростое решение. Отказаться от идеи присутствия божьего промысла и взять всю ответственность за происходящее исключительно на себя даже современное общество не совсем готово, а в более ранние века такие идеи называли ересью и крамолой.
Этические и культурные аспекты жизни социума всегда влияли на скорость и направленность научно-технического прогресса (и далеко не всегда это влияние являлось отрицательным). Но, кроме этических проблем, существуют и объективные сложности, которые не позволяют расставить все точки над і в вопросах появления первых живых организмов.
Есть предположения, что самые первые автотрофы-бактерии появились на Земле в первые сто миллионов лет существования планеты.
Пока что эту гипотезу невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть. Причин для такой неопределенности несколько:
- Самые древние осадочные отложения, которые найдены сегодня, образовались 3,9 млрд лет назад, в них уже .
- Отсутствие возможности исследовать более поздние породы является основанием предполагать, что в них также могут быть следы бактерий.
По всему выходит, что вопрос о том, когда и сколько лет назад органические молекулы стали копировать себя, используя энергию, получаемую из окружающей среды, откладывается до момента выявления геологических объектов возрастом, максимально приближающимся к возрасту планеты.
Как появились
Если же абстрагироваться от того, когда появились самые первые прокариоты, и задаться вопросом, как они появились, можно узнать много интересного о том, на чем вообще держится органическая земная жизнь.
Разгадка кроется в тех первых процессах, которые зарождались в безжизненных и ядовитых, по современным меркам, водах первичного океана.
Современные бактерии, которые исследуются в целях лечения человека, его кормления и уборки отходов его жизнедеятельности, не имеют никакого отношения к тем первым бактериям, которые жили на Земле.
Так, например, сегодня активно изучается , которая инфицировала более половины населения планеты и является причиной язвенных болезней желудка и двенадцатиперстной кишки.
В поисках инструментов для лечения этого недуга биологи прорабатывали гипотезу, согласно которой первые люди в свое время были заражены этой . Однако последние данные показали, что именно человек стал первым резервуаром для Пилори. Дальнейшее заражение животных происходило в результате контакта последних с человеком.
Эти сведения имеют большую ценность для лечения язвы, ведь, понимая пути эволюции язвенной бактерии, гораздо проще разработать комплексное лечение и профилактические меры.
Кроме исследования живых бактериальных культур, микробиологи и фармацевты пытаются создать искусственные микроорганизмы, которые также смогут решить вопросы диагностики и лечения болезней человека.
Сегодня исследуются возможности искусственных бактерий, созданных на базе обычной кишечной палочки, диагностировать рак и диабет. Выявление этих болезней на ранних стадиях помогает добиваться высоких результатов в лечении.
Однако надо понимать, что искусственная бактерия – это не созданный из синтетических материалов микроорганизм. Синтетическая бактерия – это обычная бактерия, в генетический код которой вносятся определенные изменения.
Так, например, та же синтетическая кишечная палочка, благодаря изменению ДНК искусственным путем, при повышении сахара в крови диабетика начинает вырабатывать флуоресцирующий белок, который, попадая в мочу больного, сразу проявляет себя на специальных биохимических тестах.
Несмотря на перспективность разработок в области создания синтетических бактерий, необходимых при лечении и диагностике человека, эти научные разработки имеют большую опасность.
Многие общественные институты призывают разработчиков новаций по созданию искусственных бактерий отказываться от патентования своих разработок, поскольку современная наука пока не может дать ответ на вопрос, что будет, если синтетические бактерии станут частью естественной планеты.
А отследить момент проникновения искусственных бактерий в естественную окружающую среду практически невозможно.
Наука и техника
Печатать страницу
БАКТЕРИИ, обширная группа одноклеточных микроорганизмов, характеризующихся отсутствием окруженного оболочкой клеточного ядра. Вместе с тем генетический материал бактерии (дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК) занимает в клетке вполне определенное место зону, называемую нуклеоидом. Организмы с таким строением клеток называются прокариотами («доядерными») в отличие от всех остальных эукариот («истинно ядерных»), ДНК которых находится в окруженном оболочкой ядре.Бактерии, ранее считавшиеся микроскопическими растениями, сейчас выделены в самостоятельное царство Monera одно из пяти в нынешней системе классификации наряду с растениями, животными, грибами и протистами.
Ископаемые свидетельства. Вероятно, бактерии древнейшая известная группа организмов. Слоистые каменные структуры строматолиты, датируемые в ряде случаев началом археозоя (архея), т.е. возникшие 3,5 млрд. лет назад, результат жизнедеятельности бактерий, обычно фотосинтезирующих, т.н. сине-зеленых водорослей. Подобные структуры (пропитанные карбонатами бактериальные пленки) образуются и сейчас, главным образом у побережья Австралии, Багамских островов, в Калифорнийском и Персидском заливах, однако они относительно редки и не достигают крупных размеров, потому что ими питаются растительноядные организмы, например брюхоногие моллюски. В наши дни строматолиты растут в основном там, где эти животные отсутствуют из-за высокой солености воды или по другим причинам, однако до появления в ходе эволюции растительноядных форм они могли достигать огромных размеров, составляя существенный элемент океанического мелководья, сравнимый с современными коралловыми рифами. В некоторых древних горных породах обнаружены крохотные обугленные сферы, которые также считаются остатками бактерий. Первые ядерные, т.е. эукариотические, клетки произошли от бактерий примерно 1,4 млрд. лет назад.
Экология. Бактерий много в почве, на дне озер и океанов повсюду, где накапливается органическое вещество. Они живут в холоде, когда столбик термометра чуть превышает нулевую отметку, и в горячих кислотных источниках с температурой выше 90° С. Некоторые бактерии переносят очень высокую соленость среды; в частности, это единственные организмы, обнаруженные в Мертвом море. В атмосфере они присутствуют в каплях воды, и их обилие там обычно коррелирует с запыленностью воздуха. Так, в городах дождевая вода содержит гораздо больше бактерий, чем в сельской местности. В холодном воздухе высокогорий и полярных областей их мало, тем не менее они встречаются даже в нижнем слое стратосферы на высоте 8 км.
Густо заселен бактериями (обычно безвредными) пищеварительный тракт животных. Эксперименты показали, что для жизнедеятельности большинства видов они не обязательны, хотя и могут синтезировать некоторые витамины. Однако у жвачных (коров, антилоп, овец) и многих термитов они участвуют в переваривании растительной пищи. Кроме того, иммунная система животного, выращенного в стерильных условиях, не развивается нормально из-за отсутствия стимуляции бактериями. Нормальная бактериальная «флора» кишечника важна также для подавления попадающих туда вредных микроорганизмов.
СТРОЕНИЕ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ Бактерии гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных. Толщина их обычно составляет 0,52,0 мкм, а длина 1,08,0 мкм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов (примерно 0,3 мкм), но известны и виды длиной более 10 мкм и шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий может превышать в длину 50 мкм. На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.
Строение. По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну спириллы.
Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хромосомы очень длинной кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной в одной точке к клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез (см. также КЛЕТКА). У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры рибосомы, необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами. За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы важные компоненты мембран эукариотической клетки.
Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода. Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают. Жгутики бактерий устроены проще и несколько иначе, чем аналогичные структуры эукариот.
Сенсорные функции и поведение. Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких «вкусовых» рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной «вкусовой слепоте». Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка Fe 3 O 4). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды.
Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую интенсивность стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или изменяют его.
Размножение и генетика. Бактерии размножаются бесполым путем: ДНК в их клетке реплицируется (удваивается), клетка делится надвое, и каждая дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК. Бактериальная ДНК может передаваться и между неделящимися клетками. При этом их слияния (как у эукариот) не происходит, число особей не увеличивается, и обычно в другую клетку переносится лишь небольшая часть генома (полного набора генов), в отличие от «настоящего» полового процесса, при котором потомок получает по полному комплекту генов от каждого родителя.
Такой перенос ДНК может осуществляться тремя путями. При трансформации бактерия поглощает из окружающей среды «голую» ДНК, попавшую туда при разрушении других бактерий или сознательно «подсунутую» экспериментатором. Процесс называется трансформацией, поскольку на ранних стадиях его изучения основное внимание уделялось превращению (трансформации) таким путем безвредных организмов в вирулентные. Фрагменты ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии особыми вирусами бактериофагами. Это называется трансдукцией. Известен также процесс, напоминающий оплодотворение и называемый конъюгацией: бактерии соединяются друг с другом временными трубчатыми выростами (копуляционными фимбриями), через которые ДНК переходит из «мужской» клетки в «женскую».
Иногда в бактерии присутствуют очень мелкие добавочные хромосомы плазмиды, которые также могут переноситься от особи к особи. Если при этом плазмиды содержат гены, обусловливающие резистентность к антибиотикам, говорят об инфекционной резистентности. Она важна с медицинской точки зрения, поскольку может распространяться между различными видами и даже родами бактерий, в результате чего вся бактериальная флора, скажем кишечника, становится устойчивой к действию определенных лекарственных препаратов. См. также НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.
МЕТАБОЛИЗМ Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится «на голодном пайке», поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.
Питание. Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы («сами себя питающие») не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO 2). Включая CO 2 и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH 3), нитраты (NO 3) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты.
Гетеротрофы («питающиеся другим») используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO 2) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство прокариот, сходны с человеком. См. также УГЛЕРОД.
Если для образования (синтеза) клеточных компонентов используется в основном световая энергия (фотоны), то процесс называется фотосинтезом, а способные к нему виды фототрофами. Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от того, какие соединения органические или неорганические служат для них главным источником углерода.
Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H 2 O). При этом выделяется свободный кислород (1 / 2 O 2) и образуется водород (2H +), который, можно сказать, превращает диоксид углерода (CO 2) в углеводы. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H 2 S). В результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным.
Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют световую энергию для получения водорода из органических веществ, в частности изопропанола, но его источником у них может служить и газообразный H 2 .
Если основной источник энергии в клетке окисление химических веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода органические или неорганические. У первых органика дает как энергию, так и углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ, например водорода (до воды: 2H 4 + O 2 ® 2H 2 O), железа (Fe 2+ ® Fe 3+) или серы (2S + 3O 2 + 2H 2 O ® 2SO 4 2 + 4H +), а углерод из СO 2 . Эти организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они «питаются» горными породами.
Дыхание. Клеточное дыхание процесс высвобождения химической энергии, запасенной в «пищевых» молекулах, для ее дальнейшего использования в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным. В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н. электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к кислороду вместе с ионами водорода образуется вода.
Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой группы он даже ядовит. Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны присоединяются к другим неорганическим акцепторам, например нитрату, сульфату или карбонату, или (при одной из форм такого дыхания брожении) к определенной органической молекуле, в частности к глюкозе. См. также МЕТАБОЛИЗМ.
КЛАССИФИКАЦИЯ У большинства организмов видом принято считать репродуктивно изолированную группу особей. В широком смысле это означает, что представители данного вида могут давать плодовитое потомство, спариваясь только с себе подобными, но не с особями других видов. Таким образом, гены конкретного вида, как правило, не выходят за его пределы. Однако у бактерий может происходить обмен генами между особями не только разных видов, но и разных родов, поэтому правомерно ли применять здесь привычные концепции эволюционного происхождения и родства, не вполне ясно. В связи с этой и другими трудностями общепринятой классификации бактерий пока не существует. Ниже приведен один из широко используемых ее вариантов.
ЦАРСТВО MONERA Тип I . Gracilicutes (тонкостенные грамотрицательные бактерии)
Класс 1. Scotobacteria (нефотосинтезирующие формы, например миксобактерии)
Класс 2. Anoxyphotobacteria (не выделяющие кислорода фотосинтезирующие формы, например пурпурные серные бактерии)
Класс 3. Oxyphotobacteria (выделяющие кислород фотосинтезирующие формы, например цианобактерии)
Тип II . Firmicutes (толстостенные грамположительные бактерии)
Класс 1. Firmibacteria (формы с жесткой клеткой, например клостридии)
Класс 2. Thallobacteria (разветвленные формы, например актиномицеты)
Тип III . Tenericutes (грамотрицательные бактерии без клеточной стенки)
Класс 1. Mollicutes (формы с мягкой клеткой, например микоплазмы)
Тип IV . Mendosicutes (бактерии с неполноценной клеточной стенкой)
Класс 1. Archaebacteria (древние формы, например метанобразующие)
Домены. Недавние биохимические исследования показали, что все прокариоты четко разделяются на две категории: маленькую группу архебактерий (Archaebacteria «древние бактерии») и всех остальных, называемых эубактериями (Eubacteria «истинные бактерии»). Считается, что архебактерии по сравнению с эубактериями примитивнее и ближе к общему предку прокариот и эукариот. От прочих бактерий они отличаются несколькими существенными признаками, включая состав молекул рибосомной РНК (pРНК), участвующей в синтезе белка, химическую структуру липидов (жироподобных веществ) и присутствие в клеточной стенке вместо белково-углеводного полимера муреина некоторых других веществ.
В приведенной выше системе классификации архебактерии считаются лишь одним из типов того же царства, которое объединяет и всех эубактерий. Однако, по мнению некоторых биологов, различия между архебактериями и эубактериями настолько глубоки, что правильнее рассматривать архебактерии в составе Monera как особое подцарство. В последнее время появилось еще более радикальное предложение. Молекулярный анализ выявил между двумя этими группами прокариот столь существенные различия в структуре генов, что присутствие их в рамках одного царства организмов некоторые считают нелогичным. В связи с этим предложено создать таксономическую категорию (таксон) еще более высокого ранга, назвав ее доменом, и разделить все живое на три домена Eucarya (эукариоты), Archaea (архебактерии) и Bacteria (нынешние эубактерии).
ЭКОЛОГИЯ Две важнейшие экологические функции бактерий фиксация азота и минерализация органических остатков.
Азотфиксация. Связывание молекулярного азота (N 2) с образованием аммиака (NH 3) называется азотфиксацией, а окисление последнего до нитрита (NO 2) и нитрата (NO 3) нитрификацией. Это жизненно важные для биосферы процессы, поскольку растениям необходим азот, но усваивать они могут лишь его связанные формы. В настоящее время примерно 90% (ок. 90 млн. т) годового количества такого «фиксированного» азота дают бактерии. Остальное количество производится химическими комбинатами или возникает при разрядах молний. Азот воздуха, составляющий ок. 80% атмосферы, связывается в основном грамотрицательным родом ризобиум (Rhizobium ) и цианобактериями. Виды ризобиума вступают в симбиоз примерно с 14 000 видов бобовых растений (семейство Leguminosae), к которым относятся, например, клевер, люцерна, соя и горох. Эти бактерии живут в т.н. клубеньках вздутиях, образующихся на корнях в их присутствии. Из растения бактерии получают органические вещества (питание), а взамен снабжают хозяина связанным азотом. За год таким способом фиксируется до 225 кг азота на гектар. В симбиоз с другими азотфиксирующими бактериями вступают и небобовые растения, например ольха.
Цианобактерии фотосинтезируют, как зеленые растения, с выделением кислорода. Многие из них способны также фиксировать атмосферный азот, потребляемый затем растениями и в конечном итоге животными. Эти прокариоты служат важным источником связанного азота почвы в целом и рисовых чеков на Востоке в частности, а также главным его поставщиком для океанских экосистем.
Минерализация. Так называется разложение органических остатков до диоксида углерода (CO 2), воды (H 2 O) и минеральных солей. С химической точки зрения, этот процесс эквивалентен горению, поэтому он требует большого количества кислорода. В верхнем слое почвы содержится от 100 000 до 1 млрд. бактерий на 1 г, т.е. примерно 2 т на гектар. Обычно все органические остатки, попав в землю, быстро окисляются бактериями и грибами. Более устойчиво к разложению буроватое органическое вещество, называемое гуминовой кислотой и образующееся в основном из содержащегося в древесине лигнина. Оно накапливается в почве и улучшает ее свойства.
БАКТЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ Учитывая разнообразие катализируемых бактериями химических реакций, неудивительно, что они широко используются в производстве, в ряде случаев с глубокой древности. Славу таких микроскопических помощников человека прокариоты делят с грибами, в первую очередь дрожжами, которые обеспечивают большую часть процессов спиртового брожения, например при изготовлении вина и пива. Сейчас, когда стало возможным вводить в бактерии полезные гены, заставляя их синтезировать ценные вещества, например инсулин, промышленное применение этих живых лабораторий получило новый мощный стимул. См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.
Пищевая промышленность. В настоящее время бактерии применяются этой отраслью в основном для производства сыров, других кисломолочных продуктов и уксуса. Главные химические реакции здесь образование кислот. Так, при получении уксуса бактерии рода Acetobacter окисляют этиловый спирт, содержащийся в сидре или других жидкостях, до уксусной кислоты. Аналогичные процессы происходят при квашении капусты: анаэробные бактерии сбраживают содержащиеся в листьях этого растения сахара до молочной кислоты, а также уксусной кислоты и различных спиртов.
Выщелачивание руд. Бактерии применяются для выщелачивания бедных руд, т.е. переведения из них в раствор солей ценных металлов, в первую очередь меди (Cu) и урана (U). Пример переработка халькопирита, или медного колчедана (CuFeS 2). Кучи этой руды периодически поливают водой, в которой присутствуют хемолитотрофные бактерии рода Thiobacillus . В процессе своей жизнедеятельности они окисляют серу (S), образуя растворимые сульфаты меди и железа:CuFeS 2 + 4O 2 ® CuSO 4 + FeSO 4 . Такие технологии значительно упрощают получение из руд ценных металлов; в принципе, они эквивалентны процессам, протекающим в природе при выветривании горных пород.
Переработка отходов. Бактерии служат также для превращения отходов, например сточных вод, в менее опасные или даже полезные продукты. Сточные воды одна из острых проблем современного человечества. Их полная минерализация требует огромных количеств кислорода, и в обычных водоемах, куда принято сбрасывать эти отходы, его для их «обезвреживания» уже не хватает. Решение заключается в дополнительной аэрации стоков в специальных бассейнах (аэротенках): в результате бактериям-минерализаторам хватает кислорода для полного разложения органики, и одним из конечных продуктов процесса в наиболее благоприятных случаях становится питьевая вода. Остающийся по ходу дела нерастворимый осадок можно подвергнуть анаэробному брожению. Чтобы такие водоочистные установки отнимали как можно меньше места и денег, необходимо хорошее знание бактериологии.
Другие пути использования. К другим важным областям промышленного применения бактерий относится, например, мочка льна, т.е. отделение его прядильных волокон от других частей растения, а также производство антибиотиков, в частности стрептомицина (бактериями рода Streptomyces ).
БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ Бактерии приносят не только пользу; борьба с их массовым размножением, например в пищевых продуктах или в водных системах целлюлозно-бумажных предприятий, превратилась в целое направление деятельности.
Пища портится под действием бактерий, грибов и собственных вызывающих автолиз («самопереваривание») ферментов, если не инактивировать их нагреванием или другими способами. Поскольку главная причина порчи все-таки бактерии, разработка систем эффективного хранения продовольствия требует знания пределов выносливости этих микроорганизмов.
Одна из наиболее распространенных технологий пастеризация молока, убивающая бактерии, которые вызывают, например, туберкулез и бруцеллез. Молоко выдерживают при 6163° С в течение 30 мин или при 7273° С всего 15 с. Это не ухудшает вкуса продукта, но инактивирует болезнетворные бактерии. Пастеризовать можно также вино, пиво и фруктовые соки.
Давно известна польза хранения пищевых продуктов на холоде. Низкие температуры не убивают бактерий, но не дают им расти и размножаться. Правда, при замораживании, например, до 25° С численность бактерий через несколько месяцев снижается, однако большое количество этих микроорганизмов все же выживает. При температуре чуть ниже нуля бактерии продолжают размножаться, но очень медленно. Их жизнеспособные культуры можно хранить почти бесконечно долго после лиофилизации (замораживания высушивания) в среде, содержащей белок, например в сыворотке крови.
К другим известным методам хранения пищевых продуктов относятся высушивание (вяление и копчение), добавка больших количеств соли или сахара, что физиологически эквивалентно обезвоживанию, и маринование, т.е. помещение в концентрированный раствор кислоты. При кислотности среды, соответствующей pH 4 и ниже, жизнедеятельность бактерий обычно сильно тормозится или прекращается.
БАКТЕРИИ И БОЛЕЗНИ Бактерии были открыты А.Левенгуком в конце 17 в., и еще долгое время считалось, что они способны самозарождаться в гниющих остатках. Это мешало пониманию связи прокариот с возникновением и распространением болезней, препятствуя одновременно разработке адекватных лечебных и профилактических мероприятий. Л.Пастер первым установил, что бактерии происходят только от других живых бактерий и могут вызывать определенные заболевания. В конце 19 в. Р.Кох и другие ученые значительно усовершенствовали методы идентификации этих патогенов и описали множество их видов. Для установления того, что наблюдаемое заболевание вызывается вполне определенной бактерией, до сих пор пользуются (с небольшими модификациями) «постулатами Коха»: 1) данный патоген должен присутствовать у всех больных; 2) можно получить его чистую культуру; 3) он должен при инокуляции вызывать ту же болезнь у здорового человека; 4) его можно обнаружить у вновь заболевшего. Дальнейший прогресс в этой области связан с развитием иммунологии, основы которой заложил еще Пастер (на первых порах тут много сделали французские ученые), и с открытием в 1928 А.Флемингом пенициллина.
Окрашивание по Граму. Для идентификации болезнетворных бактерий крайне полезным оказался метод окрашивания препаратов, разработанный в 1884 датским бактериологом Х.Грамом. Он основан на устойчивости бактериальной клеточной стенки к обесцвечиванию после обработки особыми красителями. Если она не обесцвечивается, бактерию называют грамположительной, в противном случае грамотрицательной. Это различие связано с особенностями строения клеточной стенки и некоторыми метаболическими признаками микроорганизмов. Отнесение патогенной бактерии к одной из двух данных групп помогает врачам назначить нужный антибиотик или другое лекарство. Так, бактерии, вызывающие фурункулы, всегда грамположительны, а возбудители бактериальной дизентерии грамотрицательны. См. также АНТИБИОТИКИ.
Бактерии не могут преодолеть барьер, создаваемый неповрежденной кожей; они проникают внутрь организма через раны и тонкие слизистые оболочки, выстилающие изнутри ротовую полость, пищеварительный тракт, дыхательные и мочеполовые пути и проч. Поэтому от человека к человеку они передаются с зараженной пищей или питьевой водой (брюшной тиф, бруцеллез, холера, дизентерия), с вдыхаемыми капельками влаги, попавшими в воздух при чихании, кашле или просто разговоре больного (дифтерия, легочная чума, туберкулез, стрептококковые инфекции, пневмония) или при прямом контакте слизистых оболочек двух людей (гонорея, сифилис, бруцеллез). Попав на слизистую оболочку, патогены могут поражать только ее (например, возбудители дифтерии в дыхательных путях) или проникать глубже, как, скажем, трепонема при сифилисе.
Симптомы заражения бактериями часто объясняют действием токсичных веществ, вырабатываемых этими микроорганизмами. Их принято подразделять на две группы. Экзотоксины выделяются из бактериальной клетки, например, при дифтерии, столбняке, скарлатине (причина красной сыпи). Интересно, что во многих случаях экзотоксины вырабатываются только бактериями, которые сами заражены вирусами, содержащими соответствующие гены. Эндотоксины входят в состав бактериальной клеточной стенки и высвобождаются лишь после гибели и разрушения патогена.
Пищевые отравления. Анаэробная бактерия Clostridium botulinum , обычно живущая в почве и иле, причина ботулизма. Она образует очень устойчивые к нагреванию споры, которые могут прорастать после пастеризации и копчения продуктов. В ходе своей жизнедеятельности бактерия образует несколько близких по строению токсинов, относящихся к сильнейшим из известных ядов. Убить человека может меньше 1/10 000 мг такого вещества. Эта бактерия изредка заражает фабричные консервы и несколько чаще домашние. Выявить на глаз ее присутствие в овощных или мясных продуктах обычно невозможно. В США ежегодно регистрируется несколько десятков случаев ботулизма, смертность при которых составляет 3040%. К счастью, ботулинотоксин это белок, поэтому его можно инактивировать непродолжительным кипячением.
Гораздо шире распространены пищевые отравления, вызываемые токсином, который вырабатывается некоторыми штаммами золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus ). Симптомы понос и упадок сил; смертельные исходы редки. Этот токсин также белок, но, к сожалению, очень термостойкий, поэтому кипячением пищи его инактивировать трудно. Если продукты не сильно им отравлены, то, чтобы предотвратить размножение стафилококка, рекомендуется хранить их до употребления при температуре либо ниже 4° С, либо выше 60° С.
Бактерии рода Salmonella также способны, заражая пищу, причинять вред здоровью. Строго говоря, это не пищевое отравление, а кишечная инфекция (сальмонеллез), симптомы которой обычно возникают через 1224 ч после попадания патогена в организм. Смертность от нее довольно высокая.
Стафилококковые отравления и сальмонеллез связаны в основном с потреблением постоявших при комнатной температуре мясных продуктов и салатов, особенно на пикниках и праздничных застольях.
Естественная защита организма. В организме животных существует несколько «линий обороны» против патогенных микроорганизмов. Одну из них образуют белые кровяные тельца, фагоцитирующие, т.е. поглощающие, бактерии и вообще чужеродные частицы, другую иммунная система. Обе они действуют взаимосвязанно.
Иммунная система очень сложна и существует только у позвоночных. Если в кровь животного проникает чужеродный белок или высокомолекулярный углевод, то он становится здесь антигеном, т.е. веществом, стимулирующим выработку организмом «противодействующего» вещества антитела. Антитело это белок, который связывает, т.е. инактивирует, специфический для него антиген, часто вызывая его преципитацию (осаждение) и удаление из кровотока. Каждому антигену соответствует строго определенное антитело.
Бактерии, как правило, тоже вызывают образование антител, которые стимулируют лизис, т.е. разрушение, их клеток и делают их более доступными для фагоцитоза. Часто можно заранее иммунизировать индивида, повысив его естественную сопротивляемость бактериальной инфекции.
Кроме «гуморального иммунитета», обеспечиваемого циркулирующими в крови антителами, существует иммунитет «клеточный», связанный со специализированными белыми кровяными тельцами, т.н. T-клетками, которые убивают бактерии при прямом контакте с ними и с помощью токсичных веществ. T-клетки нужны и для активации макрофагов белых кровяных телец другого типа, также уничтожающих бактерии.
Химиотерапия и антибиотики. Поначалу для борьбы с бактериями применялось очень мало лекарств (химиотерапевтических препаратов). Трудность заключалась в том, что, хотя эти препараты легко убивают микробов, зачастую такое лечение вредно для самого больного. К счастью биохимическое сходство человека и микробов, как теперь известно, все же неполное. Например, антибиотики группы пенициллина, синтезируемые определенными грибами и используемые ими для борьбы с бактериями-конкурентами, нарушают образование бактериальной клеточной стенки. Поскольку у клеток человека такой стенки нет, эти вещества губительны только для бактерий, хотя иногда они и вызывают у нас аллергическую реакцию. Кроме того, рибосомы прокариот, несколько отличные от наших (эукариотических), специфически инактивируются антибиотиками типа стрептомицина и хлоромицетина. Далее, некоторые бактерии должны сами обеспечивать себя одним из витаминов фолиевой кислотой, а ее синтез в их клетках подавляют синтетические сульфамидные препараты. Сами мы получаем этот витамин с пищей, поэтому при таком лечении не страдаем. Сейчас против почти всех бактериальных патогенов существуют природные или синтетические лекарственные средства.
Здравоохранение. Борьба с патогенами на уровне индивидуального больного только один из аспектов применения медицинской бактериологии. Не менее важно изучение развития бактериальных популяций вне организма больного, их экологии, биологии и эпидемиологии, т.е. распространения и динамики численности. Известно, например, что возбудитель чумы Yersinia pestis живет в теле грызунов, служащих «природным резервуаром» этой инфекции, и переносчиками ее между животными являются блохи.Если в водоем попадают канализационные стоки, там в течение некоторого периода времени, зависящего от различных условий, сохраняют жизнеспособность возбудители ряда кишечных инфекций. Так, щелочные водохранилища Индии, где pH среды меняется в зависимости от времени года, весьма благоприятная среда для выживания холерного вибриона (Vibrio cholerae ) (см. также ХОЛЕРА).
Информация такого рода крайне важна для работников здравоохранения, занимающихся выявлением очагов распространения болезней, прерыванием путей их передачи, осуществлением программ иммунизации и другими профилактическими мероприятиями.
См. также ЭПИДЕМИЯ.
ИЗУЧЕНИЕ БАКТЕРИЙ Многие бактерии нетрудно выращивать в т.н. культуральной среде, в состав которой могут входить мясной бульон, частично переваренный белок, соли, декстроза, цельная кровь, ее сыворотка и другие компоненты. Концентрация бактерий в таких условиях обычно достигает примерно миллиарда на кубический сантиметр, в результате чего среда становится мутной.
Для изучения бактерий необходимо уметь получать их чистые культуры, или клоны, представляющие собой потомство одной-единственной клетки. Это нужно, например, для определения того, какой вид бактерии инфицировал больного и к какому антибиотику данный вид чувствителен. Микробиологические образцы, например, взятые из горла или ран мазки, пробы крови, воды или других материалов, сильно разводят и наносят на поверхность полутвердой среды: на ней из отдельных клеток развиваются округлые колонии. Отверждающим культуральную среду агентом обычно служит агар полисахарид, получаемый из некоторых морских водорослей и почти ни одним видом бактерий не перевариваемый. Агаровые среды используют в виде «косячков», т.е. наклонных поверхностей, образующихся в стоящих под большим углом пробирках при застывании расплавленной культуральной среды, или в виде тонких слоев в стеклянных чашках Петри плоских круглых сосудах, закрываемых такой же по форме, но чуть большей по диаметру крышкой. Обычно через сутки бактериальная клетка успевает размножиться настолько, что образует легко заметную невооруженным глазом колонию. Ее можно перенести на другую среду для дальнейшего изучения. Все культуральные среды должны быть перед началом выращивания бактерий стерильными, а в дальнейшем следует принимать меры против поселения на них нежелательных микроорганизмов.
Чтобы рассмотреть выращенные таким способом бактерии, прокаливают на пламени тонкую проволочную петлю, прикасаются ею сначала к колонии или мазку, а затем к капле воды, нанесенной на предметное стекло. Равномерно распределив взятый материал в этой воде, стекло высушивают и два-три раза быстро проводят над пламенем горелки (сторона с бактериями должна быть обращена вверх): в результате микроорганизмы, не повреждаясь, прочно прикрепляются к субстрату. На поверхность препарата капают краситель, затем стекло промывают в воде и вновь сушат. Теперь можно рассматривать образец под микроскопом.
Чистые культуры бактерий идентифицируют главным образом по их биохимическим признакам, т.е. определяют, образуют ли они из определенных сахаров газ или кислоты, способны ли переваривать белок (разжижать желатину), нуждаются ли для роста в кислороде и т.д. Проверяют также, окрашиваются ли они специфическими красителями. Чувствительность к тем или иным лекарственным препаратам, например антибиотикам, можно выяснить, поместив на засеянную бактериями поверхность маленькие диски из фильтровальной бумаги, пропитанные данными веществами. Если какое-либо химическое соединение убивает бактерии, вокруг соответствующего диска образуется свободная от них зона.
Найти "БАКТЕРИИ " на
Низшие растения, не имеющие типичного клеточного ядра и размножающиеся вегетативно поперечным делением клетки, реже — спорами. Отдел бактерий содержит около 3000 видов. Его можно разделить на 4 класса.
1-й КЛАСС — ТИПИЧНЫЕ БАКТЕРИИ (EUBACTERIA)
Строение и размножение . К типичным бактериям относятся мельчайшие растительные организмы, в подавляющем большинстве одноклеточные, не имеющие хлорофилла, размножающиеся поперечным делением. В зависимости от формы клетки, постоянной для отдельных видов, бактерии носят разные названия: шаровидные называютсякокками (или микрококками); палочковидные прямые — бациллами ; имеющие форму запятой — вибрионами ; спирально закрученные с одним или немногими завитками — спириллами (рис. 1). Кокки, располагающиеся попарно, называют диплококками , располагающиеся цепочкой — стрептококками , собранные в гроздь — стафилококками . Клетки у шаровидных бактерий большей частью достигают 0,5 — 1 мкм в диаметре, у палочковидных 2 — 5 мкм длины и 0,4 — 0,8 мкм ширины. Некоторые нитевидные бактерии видны даже невооруженным глазом.
Клетки бактерий имеют плотную оболочку, которая становится заметной при плазмолизе; целлюлозы и хитина в ней нет. В составе оболочки есть аминосахара и аминокислоты. Многие бактерии вокруг клетки образуют слизистые капсулы (азотобактер, пневмококк и др.), нередко превосходящие размеры самих клеток. В протоплазме у старых бактерий находятся небольшие вакуоли. Запасные продукты — жир, гликоген, волютин (полифосфаты с рибонуклеиновой кислотой), крахмала нет. В протопласте содержится 40% и более нуклеопротеидов, т. е. больше, чем в клетках любого другого организма. Нуклеопротеиды образуют скопления шаровидной, эллипсоидальной, почковидной или нитевидной формы, которые нередко принимают за ядра; их называют нуклеоидами . Нуклеоиды отличаются от ядер отсутствием
Рис. 1. Форма бактерий: 1 — кокки, 2 — диплококки; 8 — стафилококки, 4 — стрептококки; 5 — бациллы, 6 — вибрионы, 7 — спирилла; 8 — спирохета, 9 — нитчатая бактерия; 10 — бактерии со слизистыми капсулами
ядерной оболочки и ядрышек; ядерное веретено при делении клеток не формируется.
В нуклеоидах сосредоточена ДНК и в ряде случаев обнаружена редупликация ее нитей, предшествующая делению бактериальной клетки. Делятся нуклеоиды поперечно или продольно.
Электронно-микроскопически в цитоплазме установлено наличие телец, которые по составу и размерам подобны рибосомам. У немногих окрашенных бактерий найдены и мельчайшие носители пигментов, величиной около 0,05 мкм . Они содержат зеленый бактериохлорофилл и каротиноиды. Носители пигментов имеют ламеллярное строение, но не имеют своей мембраны, чем и отличаются от пластид. В цитоплазме же, вблизи наружной ее мембраны, прилегающей к клеточной оболочке изнутри, помещаются базальные тельца жгутиков.
Благодаря жгутикам многие бактерии подвижны. Жгутики бактерий очень тонки. Располагаются они или по одному на конце клетки (монотрихальные бактерии), или пучком — тоже на конце клетки (лофотрихальные), или, наконец, по всей поверхности ее (перитрихальные бактерии) (рис. 2). У многих бактерий число жгутиков не постоянно, изменяется иногда в зависимости от условий питания. Клетка может сбрасывать и вновь восстанавливать жгутики. Строение жгутиков у бактерий отлично от таковых у других организмов, где они составлены из 9 + 2 двойных фибрилл. У бактерий жгутик имеет как бы винтообразное (с поверхности) строение.
Размножаются бактерии простым делением клетки, которое происходит поперечно, у форм нешаровидных — перпендикулярно к продольной оси к летки. При благоприятных условиях деление может происходить через каждые полчаса, т. е. чаще, чем у любых других организмов. Этим объясняется чрезвычайная иногда быстрота размножения некоторых бактерий. На основании чисто арифметических подсчетов установлено, что потомство одной бактериальной клетки через 5 — 6 дней могло бы заполнить все моря и океаны на Земле, а через 10 дней дать потомство, равное по объему всему земному шару. Конечно, в действительности этого никогда не может быть, так как бактерии очень быстро используют необходимые для роста и размножения питательные вещества, отравляют среду продуктами своей жизнедеятельности и погибают от неблагоприятного действия внешних факторов. Но подсчеты подобного рода характеризуют потенциальную энергию размножения.
У многих палочковидных и немногих шаровидных бактерий образуются эндогенные споры, по одной в клетке. Они формируются в центре или на конце клетки путем сжатия и уплотнения цитоплазматического содержимого клетки; вокруг образующейся споры выделяется новая плотная оболочка (рис. 3). Споры обеспечивают возможность переносить неблагоприятные условия. Они выдерживают длительное высыхание, кипячение и действие других неблагоприятных факторов. Попав в благоприятные условия, споры набухают и прорастают, образуя новую вегетативную клетку бактерии.
Вопрос о цикле развития типичных бактерий нельзя считать вполне изученным. В простейшем случае клетка делится, и дочерние клетки, вырастая до размера материнской, повторяют деление. Но такое простое следование поколений бывает не у всех бактерий. Так, например, у сенной палочки (Bacillus subtilis , рис. 4) подвижная жгутиковая клетка, размножаясь, дает начало нити, состоящей из подвижных клеток, которые далее теряют жгутики; в этих клетках в дальнейшем развиваются споры, последние освобождаются
и при соответствующих условиях прорастают, давая начало новым подвижным клеткам. В этом случае в цикле развития организм проходит несколько закономерно сменяющих друг друга этапов. Описывались и более сложные циклы развития бактерий.
До недавнего времени оставалось совершенно неясным, существуют ли у бактерий половые явления. Применением главным образом генетического анализа сейчас установлено, что бактерии способны к объединению генетической информации, подобно тому как это бывает у организмов, имеющих половой процесс. Однако у бактерий явления этого рода совершаются в своеобразной форме, даже если передача информации происходит путем непосредственного контакта между конъюгирующими клетками. Выяснено также, что передача наследственной информации у бактерий может осуществляться и без прямого контакта клеток — частицами бактериофага. Наконец, иногда изменение наследственных качеств клетки совершается за счет поступления в нее ДНК, находящейся в среде в свободном (например, вследствие разрушения отмерших клеток) состоянии.
Распространение бактерий . Бактерии чрезвычайно широко и в огромных количествах распространены в природе. В 1 г черноземных почв находится около 5 — 6 млрд. бактерий, в 1 г подзолистых почв — около 2 млрд., в 1 г песка — около полумиллиарда. В 1 см 3 воды вдали от населенных мест содержится несколько сотен и даже тысяч (2 — 4) бактерий; в загрязненной органическими веществами воде рек, вытекающих из больших городов, — десятки тысяч бактерий. В 1 м 3 воздуха в больших городах содержится до 8 тыс. бактерий, а в местах большого скопления людей — десятки и даже сотни тысяч бактерий. В 1 см 3 молока отличного качества содежится 10 — 15 тыс., а в молоке хорошего качества — до 500 тыс. бактерий.
Физиология н образ жизни бактерий . Основным методом изучения биологических свойств отдельных видов (и более мелких таксонов) бактерий, как и многих других низших растений, являются так называемые чистые культуры, т. е. такие, в которых находится только один вид (или более
мелкая таксономическая единица — раса и т. п.). Наилучшая гарантия чистоты культуры — получение ее из одной клетки, что достигается специальными микробиологическими методами.
По характеру питания бактерии бывают автотрофными и гетеротрофными . Автотрофных бактерий немного, они могут сами синтезировать органическое вещество из неорганического путем фотосинтеза или хемосинтеза. К фотосинтезу способны зеленые и пурпурные бактерии.
Хемосинтез у некоторых бактерий был впервые открыт в конце XIX в. русским микробиологом С. Н. Виноградским . Этот процесс осуществляется без участия света, за счет энергии, которая получается при окислении различных неорганических соединений. Нитрифицирующие бактерии окисляют: одни — аммиак до азотистой кислоты (Nitrosomonas, Nitrosococcus) , другие (Nitrobactef) — азотистую кислоту до азотной. Железобактерии (Leptothrix ochracea, Crenothrix polyspora и др.) окисляют закисные соединения железа в окисные. Существуют бактерии, которые окисляют водород, метан, окись углерода и т. д. Усвоения углерода путем хемосинтеза у других организмов не встречается.
Разложение бактериями азотистых веществ, в основном белковых соединений, называют гниением. Конечные продукты гниения разнообразны; обычно в числе их имеются дурно пахнущие вещества: скатол, индол, сероводород и др.; некоторые вещества, выделяющиеся при гниении, могут вызвать отравление. Гниение вызывается многими бактериями, причем процесс может проходить ряд последовательных этапов. Продукты, получающиеся вследствие разрушения исходного вещества одними бактериями, подвергаются дальнейшему разрушению другими, третьими.
Другие азотофиксирующие бактерии живут свободно в почве. Важнейшим среди них является азотобактер (Azotobacter chroococcum} , имеющий форму коротких палочек, окруженных толстыми слизистыми капсулами. Углерод он получает из органических веществ почвы. По отмирании азотобактера его тела разрушаются другими бактериями с образованием неорганических соединений азота, усвояемых зелеными растениями. На 1 га почвы
азотобактерии связывают 10 — 30 кг свободного азота. Для лучшего развития азотобактера необходима хорошая аэрация почвы и наличие в ней достаточного количества безазотистых органических соединений.
Энергию, необходимую для жизненных процессов, бактерии, как и другие живые существа, покрывают за счет экзотермических процессов, составляющих сущность акта дыхания. У бактерий дыхание проявляется в разнообразных формах. У большинства оно, как и у человека, животных и подавляющего большинства растений, состоит в окислении свободным кислородом воздуха различных органических веществ внутри их тела. Это так называемые аэробные бактерии. У огромного большинства их при этом выделяется углекислота; у некоторых реакция окисления не доходит до конечного предела и углекислота не выделяется, как, например, у уксуснокислых бактерий, окисляющих этиловый спирт лишь в уксусную кислоту. К аэробным бактериям относятся также хемосинтезирующие (нитрифицирующие и др.) бактерии.
Другой своеобразной по физиологии группой бактерий являются анаэробные бактерии. Они могут жить при отсутствии свободного кислорода; энергию для жизненных процессов большинство их черпает из процессов расщепления сложных органических соединений до более простых, без участия свободного кислорода, при разных типах брожений. Брожения, подобно дыханию, являются экзотермическими процессами, и выделяющаяся при этом энергия используется бактериями для их жизненных процессов, подобно энергии, получающейся при кислородном дыхании. Среди анаэробных бактерий различают облигатные, т. е. нежизнеспособные в присутствии свободного кислорода или переносящие лишь небольшое его количество в окружающей среде (маслянокислые бактерии, бактерии столбняка и др.), и факультативные, могущие жить и при наличии свободного кислорода, и без него (молочнокислые бактерии, возбудители сибирской язвы, брюшного тифа, различных нагноений и т. д.).
Классификация бактерий . Вследствие того что амплитуда морфологических различий у бактерий в общем ограничена, в классификации их широко используются различные физиологические свойства — подвижность, образование капсулы, спорообразование и др. Важные признаки — форма и окраска колоний, образующихся в результате размножения одной клетки, а также влияние бактерий на окружающую среду, а именно характер разжижения застывшей желатины, воздействие на различные продукты выделения специфических веществ и др. При диагностике применяют специальную окраску, предложенную датским врачом Граммом ; в зависимости от результатов ее отличают грамположительные и грамотрицательные бактерии.
Класс Eubacteria делят на 4 — 5 порядков. Наиболее крупный порядок Eubacteriales включает одноклеточные неветвящиеся виды, распределяемые по форме клеток и другим признакам в 6 или более семейств: шаровидные — семейство Coccaceae и др.; палочковидные без спор — семейство Bacteriaceae; палочковидные , образующие споры, — семейство Baccilaceae; изогнутые или спирально извитые с одним или многими завитками — семейство Spirillaceae .
К порядку микобактерий (Mycobacteriales, Corynebacteriales) относятся одноклеточные палочковидные, иногда слабоветвящиеся неподвижные бактерии, например Mycobacterium tuberculosis — возбудитель туберкулеза, Corynebacterium diphtheriae — возбудитель дифтерии, Mycobacterium leprae — возбудитель проказы, ряд сапрофитных видов. Многие микробиологи относят микобактерий к актиномицетам.
В порядок хламидобактерий , или трихобактерий (Chlamydobacteriales, Trichobacteriales) , объединяют многоклеточные нитчатые
Рис. 5. Серобактерия беджиатоа: 1 -
с серой; 2 -
без серы (видны перегородки между клетками)
бактерии — сферотилюс , или кладотрикс (Sphaerotilus natans, Cladothrixnatans) , образующий в загрязненных водоемах беловатые космы, состоящие из множества ложноразветвленных нитей, железобактерии — лептотрикс (Leptothrix) и кренотрикс (Crenothrix) , серобактерию беджиатоа (Beggiatoa) и др. (рис. 5).
В вопросах классификации зубактерий между микробиологами существуют разногласия, поэтому в настоящее время существует несколько классификаций бактерий.
1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ БАКТЕРИЙ
Мы уже говорили, что среди бактерий можно указать такие, которые организованы проще, чем какое бы то ни было другое живое существо. Они так мелки, что проходят через тончайшие фильтры, невидимы или почти невидимы при самых сильных увеличениях и проявляют себя только способностью вызывать вокруг себя определенные химические превращения и, кроме того, способностью размножаться с большой быстротой.
Те из бактерий, которые при этом не нуждаются для своего питания ни в каких других животных и растениях и существуют за счет химических реакций, вызываемых ими в растворах газообразных и минеральных веществ, называются хемотрофными.
Они-то в настоящее время и вызывают в нашем уме представление о первичном их зарождении на Земле, еще лишенной условий, необходимых для жизни обычных растений и каких бы то ни было животных. Последние безусловно нуждаются в наличии вокруг них каких-то других организмов, вырабатывающих углеводы, жиры и белки, составляющие их пищу.
Палеонтология не противоречит нашим теоретическим представлениям в этом вопросе. Один из наиболее древних остатков живых существ - это так называемые железобактерии железных руд в верхнеальгонских слоях Северной Америки. Железобактерии и в настоящее время живут в ключах, вытекающих из земли и содержащих в растворе значительное количество солей закиси железа. Окисляя эти соли в соли окиси и отлагая, как отработанный материал, вокруг себя гидрат окиси железа, эти бактерии понемногу образуют значительные скопления железа и могут накопить достаточное его количество для образования железных руд.
Альгонские слои относятся к более новым кристаллическим сланцам архейской группы. В несколько более поздних отложениях таких сланцев во Франции (Бретань) были найдены скелеты корненожек, организмов, близких к амебам, в современных своих представителях живущих в илах мореного дна. В более старых отложениях не найдено никаких следов жизни. Таким образом, указанные только что остатки железобактерий древнее всех других остатков жизни. Между тем среди хемотрофных бактерий они далеко не простейшие, и надо думать, что от появления на Земле первых живых существ и до времени отложения слоев, содержащих их остатки, прошел не один миллион лет, ибо слои кристаллических архейских сланцев очень толсты.
Вопрос о происхождении бактерий осложняется тем, что среди них есть такие, которые произошли, по всей вероятности, путем опрощения более сложных организмов. Так, серные бактерии из рода Beggiatoa очень близки к окрашенным, имеющим хлорофилл водорослям осцилляриям, а живущие в крови высших животных бактерии спирохеты, может быть, даже животного происхождения.
Кроме железобактерий, в альгонских слоях Северной Америки были найдены еще бактерии микрококки, жизнь которых связана с отложением известняков. В более поздних слоях бактерии встречаются все чаще, но здесь они уже чаще связаны с процессами гниения растительных остатков, чем с минеральными процессами. В слоях палеозойской группы были найдены серные бактерии, микрококки и бациллы.
Для более отчетливого представления о бактериях дадим группировку ныне живущих бактерий в систему. Прежде всего они делятся на две основные группы: настоящие, или простые, бактерии и нитчатые бактерии.
I. Настоящие, или простые, бактерии (Eubacteria или Нарlobacteria ). Одноклетные, шарообразные или палочкообразные бактерии, выделяющие обильную слизь, благодаря которой они объединяются легко в колонии в форме пленок, дисков, шаров, цепочек или нитей. В молодом возрасте они по большей части имеют органы движения, реснички или жгутики. При неблагоприятных условиях образуют внутри клеток споры. Клетки бесцветны, и если протоплазма их образует пигменты, то эти пигменты отлагаются вне клеток (пигментные бактерии, колонии которых имеют красную, фиолетовую, желтую, синюю или зеленую окраску).
1. Семейство кокковых бактерий. Отличается шарообразными клетками. Сюда принадлежат самые мелкие бактерии. Роды: стрептококк, микрококк, сарцина и планококк.
2. Семейство бацилл. Цилиндрические или палочкообразные формы. Роды: бактериум, бациллус, псеудомонас и астазия.
3. Семейство спирилловых. Одиночные более и менее изогнутые клетки, от формы слегка изогнутой запятой до настоящей спирали. Роды: спириллум и спирохета.
II. Трихо- или десмо-бактерии (Trichobacteria или Phycobacteria, Desmobacteria ). Нитчатые формы, причем отдельные клетки располагаются внутри плотного студенистого футляра,
1. Семейство Rhodobacteriacea - пурпурные бактерии, протоплазма которых развивает в себе пигмент розового, пурпурного или фиолетового цвета с помощью пигмента бактериопурпурина; кроме того, обычно в их протоплазме отлагаются еще зернышки серы.
2. Семейство Beggiatoaceae, род беггиатоа или беджиатоа, клетки которого соединены в плотные нити, изгибающиеся три движении, и содержат в своей протоплазме обильные отложения зернышек серы. Это так называемые серобактерии, разрушающие сероводород и очищающие воду, испорченную процессами гниения.
3. Семейство Chlamydobactericeae - хламидобактерии. Клетки находятся в плотных чехлах, образуя простые или вильчато-ветвящиеся нити. Роды: кладотрикс и лептотрикс.
Кроме того, к бактериям относят еще семейства: 1) микобактерий, или актиномицетов, представители которых обнаружены в корнях некоторых палеозойских растений; 2) миксобактерий, которые дают нечто вроде плодовых тел, и 3) спиротриховых, куда относится характерная спиральная железобактерия галионелла.
Дальнейшее опрощение приводит нас к невидимым образованиям типа бактериофага или «живого жидкого заразного начала» Бейеринка, а еще дальнейшее - к вопросу о возникновении органических катализаторов-энзимов. Ферворн еще в 1903 г., выступая с мало обоснованной гипотезой биогена, т. е. единого энзиматичеекого вещества, вызывающего все реакции жизни, должен был согласиться, что прижизненный обмен веществ представляет собою цепь энзиматических реакций. Синтез энзимов - едва ли не основная задача, которая стоит перед химией на пути к разрешению загадки, чем отличается живой белок от запасного, протоплазма зародыша от того запаса протеиновых веществ, который ему обычно сопутствует. Бактерии с их ничтожными морфологическими различиями нередко различаются только своими энзимами, например, бактерии, разжижающие и не разжижающие желатину, на которой их культивируют.
Благодаря своей большой пластичности, своей способности изменять вырабатываемый ими набор энзимов в соответствии с тем сырьем, которым они питаются, большинство бактерий и сейчас обладает выдающейся возможностью приспособления к изменчивой внешней среде. Они не только не вымирают, но наоборот, в течение всей истории жизни на Земле овладевают все новыми и новыми источниками питания.
А. А. Рихтер, пользуясь методом Виноградского для прямого микроскопического учета микробов в почве, получил следующий подсчет: «лесная почва заключает в грамме около 3 млрд. индивидуумов, каштановая около 1 1/2 млрд. и песчаная около 1 млрд.». При этом «главной и наиболее постоянной группой почвенных микроорганизмов являются кокки; бациллы преобладают в лесной почве, отходя на задний план в культурной черноземной и песчаной почвах; азотобактеры богато представлены во всех почвах, но особенно много их в почвах культурно-черноземных» . А ведь азотобактер - главный источник вновь связываемого атмосферного азота. Если таковы цифры на 1 г почвы, то сколько же получится особей на почву целого поля и сколько же их будет на общую массу всего поверхностного слоя почвы на всей Земле!
В морях мы также встречаем массы бактерий как на дне мелководий, на остатках отмерших животных и растений и минеральных средах, так и свободно плавающими в воде. В морях Каспийском и Черном вся масса глубинных вод насыщена сероводородом, который, несмотря на присущую газам способность к быстрой диффузии, не проникает в поверхностные слои воды. Благодаря этому животная и растительная жизнь этих морей вся сосредоточена в верхних слоях воды до глубины 200 м. Объясняется это тем, что на данной глубине держится масса серобактерий, окисляющих серу сероводорода в серную кислоту. Сколько же особей содержит слой, густо заселенный серобактериями на протяжении всей глубоководной части обоих морей!
Благоденствуя таким образом на всем протяжении геологической истории жизни на Земле, бактерии должны были от времени до времени отщеплять от себя родоначальников высших по сравнению с ними типов.
Первым принципом, который мог, осуществляясь, превратить бактерию в высшую форму, является принцип дифференциации. Выделение из протоплазмы морфологически обособленного ядра, локализация пигментов, сначала в поверхностном слое протоплазмы, затем в особых ее участках - пластидах, обособление целлюлозной или хитиновой оболочки, - таковы главные моменты превращения клетки бактерий в клетку высшего типа. Ф. Энгельс рассматривает образование клеточного ядра как явление поляризации живого белка .
Принимая во внимание возможность такого процесса, лам легко установить связи, соединяющие филогенетически древних бактерий с жгутиковыми организмами, с циановыми водорослями, с низшими грибами.
Большая часть бактерий осталась бактериями и продолжала приспособляться к все изменявшимся условиям жизни, совершенствуя в своей способности использовать внешнюю среду и защищаться от разрушающих факторов.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|