Что такое бактерии

Чем отличаются бактерии от микробов

Чтобы выделить бактерии среди микробов, необходимо убедиться в том, что мы имеем дело с одноклеточным безъядерным организмом. Этим занимаются специалисты — микробиологи.

В отличие от других микробов, бактерии выделяют на категории по критериям, которые относятся только к ним:

• Выживаемость в среде без кислорода;
• Форма бактерий: палочки (bacillus), круги (cocci) или спирали (spirillum);
• Есть ли у бактерий внешняя защитная мембрана, препятствующая окрашиванию внутренностей клетки;
• Как бактерии перемещаются (у многих бактерий есть жгутики, которые позволяют им передвигаться).

Большинство бактерий являются полезными, причем зачастую их используют в промышленности, пользуясь одним их ярким качеством: они могут есть то, что не может человек. Бактерии развивались, чтобы поглощать все типы продуктов, от разливов нефти и побочных продуктов ядерного распада до человеческих отходов и продуктов разложения.

Именно бактерии вызывают неприятный запах, который появляется в мусорной корзине — они перерабатывают остатки пищи и испуская собственные газообразные побочные продукты. Вы также можете обвинить бактерии в том, что они вызывают эти неловкие моменты, когда вы сами испускаете газы, или если у вас запах изо рта.

Сколько лет бактериям? Ученые до сих пор не могут ответить на этот вопрос. Предположительно именно они породили одни из самых древних окаменелостей, которым 3,5 миллиарда лет. Сколько до этого существовали сами бактерии — и представить-то сложно. Дело в том, что некоторые бактерии могут противостоять экстремальным условиям, когда либо очень жарко или холодно, либо отсутствуют питательные вещества и химикаты, которые мы обычно ассоциируем с жизнью. Они могут существовать практически вечно.

Вредные бактерии

Несмотря на наличие многие полезных свойств, некоторые бактерии могут быть патогенными, то есть вызывать заболевания и болезни. Например, именно бактерии вызвали чуму: чумная палочка Yersinia pestis убила более 100 миллионов человек. Именно бактерии ответственны за стафилококковые инфекции. Причем они отличаются способностью вырабатывать устойчивость к антибиотикам. Так что бактерии, вызывающие сибирскую язву, пневмонию, менингит, холеру, сальмонеллез, ангину и прочие болезни всегда представляют опасность для нас.

Так выглядят бактерии, которые вызывают стафилококковые инфекции

Большинство вредных бактерий удается уничтожить с помощью антибиотиков, однако если прервать лечение раньше времени, те бактерии, которые выживут, выработают устойчивость к лекарству и останутся, дожидаясь следующего шанса. Поэтому врачи рекомендуют завершать курс антибиотиков до конца.

Бактерии также можно использовать как биологическое оружие. Например, именно с их помощью в одно время искусственно устраивали эпидемии сибирской язвы. Поэтому не стоит недооценивать эти одноклеточные организмы. На самом деле мы целиком в их власти.

Бактерия Halomonas titanicae потихоньку «обедает» Титаником

Грибы и бактерии для обеспечения плодородия почвы

Микроорганизмы и плодородие почв – два неотделимых друг от друга понятия, но 80–95 % всей природной органики разлагают грибы. Это самые древние, многочисленные и удивительные существа планеты. До сих пор изучено лишь около 5 % их видового разнообразия. Самый мощный ферментный аппарат – у них. Самые приспособляемые и изменчивые, самые устойчивые к холоду и жаре – они. Питаться могут чем угодно, живут везде, где есть хоть какая-то влага. Там, где освоился гриб, микробам достанутся только «объедки». Разные грибы пронизывают почву и древесину, создают симбиозы и паразитируют, развивают многотонные грибницы. Но как раз те, что нужны растениям, живут только в естественной среде – плугов и удобрений не выносят.

От чего зависят плодородные почвы, так это от бактерий, хотя они и проигрывают в мощности, зато берут числом и уменьем. У них больше разных способов питания: окисляют и органику, и минералы, могут и фотосинтезировать. Больше разных сред обитания: многие живут без воздуха. Чуть не половина сапрофитных бактерий получает корм и от растений, напрямую сотрудничая с корнями.

В это же время в почве поедаются миллионы отмерших корней. У них двойная роль: и пища, и структура. Именно их каналы – первые квартиры и дороги для почвенной фауны, быстрые пути для новых корней, дрены для воды и «трахеи» для газов. Эта сеть вкупе с ходами червей во многом влияет на плодородие почвы, это истинная, функциональная, многолетняя почвенная структура, которую невозможно создать с помощью машин.

Разлагая органику, сапрофиты не просто сменяют друг друга, но и располагаются послойно: чем глубже слой, тем труднее переваривать его остатки. Едоки строго распределили зоны кормежки, и каждый знает свою часть работы. А корни знают структуру едоков. Вот откуда столько неувязок, когда органику закапывают или запахивают. И так мало пользы, когда ее компостируют в кучах.

Место обитания

В силу простоты организации и неприхотливости бактерии широко распространены в природе. Бактерии обнаружены везде: в капле даже самой чистой родниковой воды, в крупинках почвы, в воздухе, на скалах, в полярных снегах, песках пустынь, на дне океана, в добытой с огромной глубины нефти и даже в воде горячих источников с температурой около 80ºС. Обитают они на растениях, плодах, у различных животных и у человека в кишечнике, ротовой полости, на конечностях, на поверхности тела.

Бактерии – самые мелкие и самые многочисленные живые существа. Благодаря малым размерам они легко проникают в любые трещины, щели, поры. Очень выносливы и приспособлены к различным условиям существования. Переносят высушивание, сильные холода, нагревание до 90ºС, не теряя при этом жизнеспособность.

Практически нет места на Земле, где не встречались бы бактерии, но в разных количествах. Условия жизни бактерий разнообразны. Одним из них необходим кислород воздуха, другие в нём не нуждаются и способны жить в бескислородной среде.

В воздухе: бактерии поднимаются в верхние слои атмосферы до 30 км. и больше.

Особенно много их в почве. В 1 г. почвы могут содержаться сотни миллионов бактерий.

В воде: в поверхностных слоях воды открытых водоёмов. Полезные водные бактерии минерализуют органические остатки.

В живых организмах: болезнетворные бактерии попадают в организм из внешней среды, но лишь в благоприятных условиях вызываю заболевания. Симбиотические живут в органах пищеварения, помогая расщеплять и усваивать пищу, синтезируют витамины.

Классификация бактерий

❖ Классификация бактерий по типу питания (ассимиляции):
■ автотрофные,
■ гетеротрофные.

Автотрофные бактерии сами синтезируют нужные им органические вещества из неорганических.

■ В зависимости от способа получения энергии, необходимой для этого синтеза, автотрофные бактерии подразделяются на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. Фотосинтезирующие бактерии (например, зеленые и пурпурные) осуществляют фотосинтез органических веществ, используя световую (солнечную) энергию.

В клетках фотосинтезирующих бактерий (в отличие от клеток растений) нет пластид, а фотосинтезирующие пигменты (бактерио-хлорофиллы) находятся в тилакоидах, образующихся в результате выпячивания цитоплазматической мембраны. По своей структуре бактериохлорофиллы подобны хлорофиллам растений и отличаются от них природой белковых цепей.

Хемосинтезирующие бактерии получают нужную для синтеза энергию от экзотермических реакций окисления неорганических веществ (молекулярного водорода, сероводорода, аммиака, закиси железа и др.). ‘

❖ Гетеротрофные бактерии (их большинство) используют в пищу готовые органические вещества, которые служат этим бактериям источником энергии и атомов углерода.

■ В зависимости от источника пищи гетеротрофные бактерии подразделяются на сапротрофы и симбионты.

Сапротрофы извлекают органические вещества из разлагающихся мертвых остатков организмов (бактерии гниения, получающие энергию от расщепления азотсодержащих соединений), выделений живых организмов (бактерии брожения, получающие энергию от расщепления углеродсодержащих соединений).

Симбионты поглощают органические вещества тела хозяина (растения, животного или человека), в котором они живут. При этом симбионты или:

■ продуцируют вещества, необходимые организму хозяина (пример: клубеньковые азотфиксирующие бактерии, поселяющиеся на корнях бобовых растений и находящиеся с ними во взаимовыгодном сосуществовании), или

■ наносят вред организму хозяина, вызывая в нем болезни (бактерии-паразиты).

❖ Классификация бактерий по типу диссимиляции (потребности в кислороде для высвобождения энергии, запасенной в молекулярных связях):
■ аэробные,
■ анаэробные,
■ факультативные.

Аэробные бактерии (туберкулезная палочка, гнилостные бактерии) живут только в кислородной среде (в верхних слоях почвы, в воздухе) и получают энергию путем окисления органических соединений до воды и диоксида углерода.

Анаэробные бактерии (бактерии желудочно-кишечного тракта, столбнячная палочка, возбудители гангрены, палочка ботулизма и др.) обитают в бескислородных средах и получают энергию в процессе реакций гликолиза и брожения.

Факультативные бактерии могут обитать как в кислородных, так и в бескислородных средах (пример: молочнокислая бактерия).

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.

Что такое бактерии?

Как мы уже поняли, бактерии являются прокариотами — одноклеточными организмами, которые не обладают клеточными ядрами. Они — самый распространенный вид живых организмов, обитающих на Земле. Так, человеческий организм населяют 39 триллионов бактерий, которые образуют микрофлору (мы уже рассказывали про бактерии, живущие на коже). Среди бактерий различают три вида: симбионтные , условно-патогенные и  патогенные бактерии.

Симбионтные бактерии являются безвредными для человека (их сдерживает иммунная система) и живут с нами в симбиозе. Условно-патогенные бактерии, как понятно из названия, не несут опасности для здоровья по умолчанию — они могут стать причиной заболеваний при определенных условиях. Например, из-за общего снижения иммунитета или злоупотребления антибактериальными средствами личной гигиены, из-за который страдает микрофлора слизистых и кожи. Наиболее опасными для человеческого организма являются патогенные бактерии , которые вызывают инфекционные заболевания при попадании в организм: туберкулез, сифилис, бактериальную ангину (в прошлом патогенные бактерии провоцировали эпидемии холеры и бубонной чумы).

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.

Существует много бактерий-паразитов. Такие бактерии живут в других живых организмах, питаются за их счет и наносят вред организму-хозяину.

Какие бывают бактерии?

Бактерии можно классифицировать по следующим основаниям.

По форме:

• цилиндрические (или палочковидные) (палочки);
• сферические (или шаровидные) (кокки);
• спиральные (или извитые) (спирохеты, спириллы, вибрионы);
• нитевидные и ветвящиеся (железобактерии, серобактерии). Палочковидные бактерии могут образовывать нити с ветвлениями или без. В этом случае они станут ещё и нитевидными (или ветвящимися).

По методу окраски Грама:

• грамположительные (бактерия Bacillus anthracis, которая вызывает сибирскую язву; бактерия Staphylococcus aureus, которая вызывает золотистый стафилококк);
• грамотрицательные (бактерия Yersinia pestis, которая вызывает чуму; бактерия Bordetella pertussis, которая вызывает коклюш).

Бактериолог из Дании Ганс Грам (1853–1938) придумал окрашивать бактерии, чтобы их было лучше видно под микроскопом.

Он понял, что одни бактерии становятся тёмно-фиолетового цвета (грамположительные), другие — красного (грамотрицательные).

Способ окрашивания по Граму позволяет понять, какие инфекции вызывают эти бактерии. А соответственно, и подобрать лечение — определённый антибиотик.

По степени опасности для человека:

• патогенные: которые ведут к болезням;
• условно-патогенные;
• непатогенные.

Последние два вида бактерий (условно-патогенные и непатогенные) могут сосуществовать с человеком, животным или растением и не вызывать инфекций. Но могут и «проснуться». Например, если иммунная система не в лучшей форме.

По углероду, который нужен бактериям для питания:

• аутотрофы: питаются углеродом и не нуждаются в других элементах (например, серобактерии);
• гетеротрофы: питаются уже готовыми органическими веществами и не могут самостоятельно образовать органические вещества из неорганических (например, паразиты).

По необходимости в кислороде:

• аэробы: которым нужен кислород, чтобы существовать (например, стрептококки);
• анаэробы: которым не нужен кислород для сущестования и размножения (например, бактерии Peptostreptococcus и Fusobacterium).

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 – Fe₃O₄). 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.

Функции нейтрофилов и лимфоцитов

Нейтрофилы, которые принято называть нейтрофильными гранулоцитами, в кровяном русле живут всего несколько часов. Процесс обновления проходит непрерывно, что позволяет организму ставить настоящий барьер на пути чужеродных агентов.

Защита осуществляется с помощью процесса, который принято называть фагоцитоз. При этом каждый зрелый нейтрофил (сегментоядерный) захватывает и буквально переваривает частички микробов или даже вирусы и бактерии целиком. После чего нейтрофил погибает, но на его место тут же приходит другой.

Иногда в крови можно обнаружить и палочкоядерных нейтрофилов (незрелых). Их число невелико, и они созревают не в костном мозге, как сегментоядерные, а уже в сосудах.

Лимфоциты

Лимфоциты – клетки крови, которые являются разновидностью лейкоцитов. В организме взрослого человека их количество достигает 40% от всех остальных клеток крови, у детей этот показатель и того выше – 50%.

Все лимфоциты принято разделять на три группы:

1. B — клетки.
2. T — клетки
3. NK — клетки.

Каждая из них выполняет свою функцию в организме. Численность этих клеток строго нормализована и любое отклонение в сторону увеличения или повышения может свидетельствовать о развитии заболевания.

B – клетки

Эти кровяные тельца принято именовать «хелперами». Их основная функция – дать сигнал остальным клеткам иммунной системы усилить или, наоборот, замедлить свою работу.

Ещё одна ведущая функция – выработка антител (иммуноглобулина). Антитела – это особые клетки, которые находятся на поверхности B-лимфоцитов и используются иммунной системой не только для идентификации, но и для уничтожения чужеродных тел – вирусов, бактерий, микробов. Второе название этого процесса – иммунный ответ. С помощью этих клеток поддерживается гуморальный иммунитет.

T — клетки

Эти тельца крови принято называть «киллерами». Они уничтожают чужеродные тела на первом этапе, то есть в момент проникновения болезнетворных агентов в организм человека. Каждая такая клетка обучена распознавать своего врага (которым могут оказаться вирус, микроб или бактерии).

Если по каким-то причинам «киллеры» не справляются со своей работой, то в дело вступают «хелперы». С помощью T – клеток поддерживается клеточный иммунитет.

NK – клетки

Второе название этих клеток – естественные киллеры. Они обладают токсичностью для клеток опухолевой природы, а также тех, что заражены вирусами. Без них врождённый иммунитет будет считаться неполноценным.

Основная функция этих лимфоцитов – уничтожать те клетки, которые по каким-то причинам оказались недоступны для T – киллеров.

Главные источники энергии.

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 (H₂O). При этом выделяется свободный кислород (1/₂O₂) и образуется водород (2H+), который, можно сказать, превращает диоксид углерода (CO₂) в углеводы. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H₂S). 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 H₂.

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: 2H₄ + O₂ 2H₂O), железа (Fe2+ Fe3+) или серы (2S + 3O₂ + 2H₂O 2SO₄2– + 4H+), а углерод – из СO₂. Эти организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они «питаются» горными породами.