Бактерии это, строение бактериальной клетки виды полезных бактерий и их названия, как размножаются, значение и роль в природе и круговороте веществ, кто открыл царство бактерий

Происхождение бактерий

Сказать точно, со 100% уверенностью, когда на Земле появились первые бактерии и как это произошло, вряд ли возьмется хотя бы один ученый. И речь идет не только об уважаемых членах научного сообщества, но и о любителях выдвигать полубезумные теории. Что абсолютно точно известно, и это подтверждают палеонтологические исследования, что следы самых древних микробов (цианобактерий) были найдены в отложениях пород, которым 3,5 млрд лет. Есть теория, что именно благодаря жизнедеятельности первых бактерий на земле появился кислород. Правда, процесс этот был несколько продолжительным — около миллиарда лет. Появление нового вещества – кислорода, уничтожило немалую часть одноклеточных анаэробов (не способных расти в кислородной среде) и разделило бактериологический мир на два лагеря: аэробный и анаэробный.

Размер и форма

Бактерии, которые относятся к прокариотам, считаются самыми мелкими живыми организмами, известными сегодня науке. Они могут иметь разные формы тела, которые влияют на процессы их жизнедеятельности. Их составляющие делятся на постоянные и непостоянные. Структурные компоненты прокариотов отличаются от растительных и животных клеток. В учебниках биологии часто приводятся таблицы и рисунки с обозначениями структур, по которым можно найти различия между разными организмами.

Размер бактерий варьируется в пределах 0,2−10 мкм. Но есть разновидности, достигающие до 600 мкм в длину и 100 мкм в диаметре, которые можно увидеть невооружённым глазом. Микроорганизмы с размером тела меньше 0,5 мкм называются нанобактериями. Они могут проходить через мембранные фильтры. Многим из них, например, микоплазмам и хламидиям, характерен паразитический образ жизни. А есть такие, что относятся к хищным разновидностям.

Разделяют бактериальные клетки по форме:

• сферические (кокки);
• палочковидные (бациллы);
• изогнутые (вибрионы);
• спиралевидные (спириллы);
• спирально извитые (спирохеты).

Коккобациллы отличаются формой, промежуточной между сферической и палочковидной. Бактерии могут образовывать устойчивые комбинации в виде пары палочек (диплобациллы) или кокков (диплококки), которые можно рассмотреть в микроскоп. Цепочки палочек называются стрептобациллами, а сочетания кокков — стрептококки. Некоторые организмы соединяются в розетки, гроздья или сети. Среди необычных форм встречаются звёздчатые варианты. Существуют прокариоты, которые в течение жизненного цикла меняют морфологию. Некоторые микроорганизмы включают клетки, несущие стебельки и иные придатки.

Кто открыл бактерии?

Человек, как существо по своей природе любознательное, всегда пытался докопаться до сути вещей и узнать, из чего состоит мир, в котором он живет, кто этот мир населяет. Однако впервые увидеть микросуществ удалось лишь во второй половине XVII века. Жаждущий как можно лучше рассмотреть льняные волокна голландец Антони ван Левенгук создал первую двусторонне выпуклую линзу. Изделие получило название “Микроскопия” (именно это изобретение стало прототипом современного микроскопа). Но на одной Левенгук не остановился и постепенно усовершенствовал свое изобретение, которое позволяло увеличить объект интереса в 200-300 раз. Изобретатель с интересом разглядывал через линзы все, что попадалось под руку, и в апреле 1676 года, разглядывая под микроскопом воду, увидел крохотных живых существ. С того самого момента исследователь везде обнаруживал мельчайших особей, что привело его к выводу о плотной заселенности окружающего мира микроскопическими, как он тогда считал, животными. Так, Левенгук, сам того не подозревая, положил начало бактериологии — науке (изучающей бактерии) и являющейся разделом микробиологии.

Цитоплазматическая мембрана

Клеточную мембрану также именуют цитоплазматической. Она представлена липидным бислоем, через который внутрь клетки поступают питательные вещества.

Мембрана поддерживает осморегуляцию прокариота, обеспечивает секрецию белков и участвует в формировании клеточной стенки. Она поддерживает биосинтез внеклеточных полимеров, получает регуляторные сигналы из внешней среды. Цитоплазматическая мембрана участвует в передаче ДНК, синтезе и разделении дочерних хромосом при размножении бактерий.

Липидный бислой включает разные белки. Его химический состав разнообразнее мембран эукариотических составляющих. В бактериях цитоплазматический слой меняет свойства, варьируя жирные кислоты в составе липидов. Мембрана содержит гопаноиды, которые заменяют стероиды. Пентациклические соединения на основе гопана участвуют в нормализации физических свойств липидного бислоя.

Способы жизни бактерий

Как бы это ни было удивительно, но эти микроорганизмы весьма изобретательны. Для выживания они нередко становятся:

• симбионтами — проще говоря участниками взаимовыгодного сотрудничества бактерии и ее носителя;
• паразитами растений, животных или человека — выгоду от совместного проживания получает только одна сторона, в нашем случае, микроб.

Клеточная стенка

Микроорганизмы группируют на грамположительные и грамотрицательные, в зависимости от особенностей строения. Бактериальная клетка окружена жёсткой клеточной стенкой, которая состоит из пептидогликана (муреина). Этот полимер представляет собой полисахаридные цепи, соединённые пептидными сшивками.

Клеточная стенка считается жизненно важной частью для бактерий, поскольку любые антибиотики не дают им формироваться. Неправильный рост грамотрицательных видов способствует образованию сферопластов. Эти структурные единицы лишены клеточной стенки или могут быть покрыты дефектным слоем. Однако они могут размножаться, взаимодействовать с бактериофагами, а при благоприятной среде восстанавливаться до нормальной структуры.

Клеточная стенка обеспечивает механическую прочность клетки и противостоит её внутреннему давлению, поддерживает форму бактерии. Через небольшие отверстия муреина могут проходить только молекулы массой до 50 кДа. При необходимости для белков жгутиков, пилей и ДНК отверстия для их прохождения расширяются, благодаря специфическим гидролазам пептидогликана.

Энергетический обмен бактерий

Бактерии получают энергию за счет окисления веществ. Существуют аэробные бактерии, живущие в воздушной среде, и анаэробные бактерии, которые могут жить только в условиях отсутствия кислорода.

К аэробным бактериям относят многочисленных редуцентов, которые разлагают органические вещества мертвых растений и животных. Анаэробные бактерии составляют микрофлору нашего кишечника — бескислородную среду обитания.

Получают энергию бактерии путем хемо- или фотосинтеза. Среди хемосинтезирующих бактерий можно встретить нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии.

Важно заметить, что клубеньковые бактерии (азотфиксирующие) не осуществляют хемосинтез: клубеньковые бактерии относятся к гетеротрофам.

Что касается бактерий гетеротрофов, то их способ питания основан на разложении останков животных и растений — сапротрофы (редуценты), либо же они питаются органами и тканями животных и растений — паразиты.

Разнообразие видов и строения бактерий

Хотя бактериальные клетки гораздо меньше и проще по структуре, чем эукариотические клетки, они представляют собой чрезвычайно разнообразную группу организмов, различающихся по размеру, форме, среде обитания и метаболизму.

Большая часть знаний о бактериях была получена в результате изучения болезнетворных бактерий, которые легче выделяются в чистой культуре и легче исследуются, чем многие из свободноживущих видов бактерий. Следует отметить, что многие свободноживущие бактерии сильно отличаются от бактерий, приспособленных к жизни в качестве животных-паразитов или симбионтов.

Бактерии могут принимать одну из трех основных форм:

1. сферическую (кокки);
2. палочковидную (бацилла);
3. изогнутую (вибрион, спирилла или спирохета).

Кокки — это бактерии сферической или яйцевидной формы.

Изогнутые бактерии, как следует из названия, имеют спиралевидную форму. Спириллы — это толстые, жесткие спирали. Спирохеты — это тонкие и гибкие спирали. Вибрионы представляют собой запятые с небольшим изгибом.

Бациллы — это палочковидные бактерии. Как и кокки, бациллы могут быть одиночными или располагаться вместе. Диплобациллы — это две бациллы, расположенные рядом друг с другом, а стрептобациллы — это цепочки бацилл.

Бактерии также могут иметь другие формы, такие как нитевидные (длинные и тонкие), квадратные, звездообразные и стебельчатые.

Бактерии, которые не отделяются друг от друга после деления клеток, образуют кластеры.

Например, некоторые кокки встречаются в основном парами, включая пневмококк, вызывающий бактериальную пневмонию, и гонококк, вызывающий заболевание, передающееся половым путем гонорея.

Большинство стрептококков напоминают длинную нить бусин, тогда как стафилококки образуют случайные сгустки (название стафилококки происходит от греческого слова staphyle, что означает гроздь винограда).

Кроме того, некоторые кокковые бактерии встречаются в виде квадратных или кубических пакетов. Палочковидные бациллы обычно встречаются поодиночке, но некоторые штаммы образуют длинные цепочки, такие как палочки коринебактерий, нормальных обитателей полости рта, которые часто прикрепляются друг к другу под произвольными углами. Некоторые бациллы имеют заостренные концы, в то время как другие имеют квадратные концы, а некоторые стержни изогнуты в форме запятой.

Бактерия среднего размера, например, палочковидная кишечная палочка, нормальный обитатель кишечного тракта человека и животных — имеет длину около 2 микрометров (мкм; миллионные доли метра) и диаметр 0,5 мкм, а сферические клетки золотистого стафилококка — до 1 мкм в диаметре.

Некоторые виды бактерий еще меньше, например Mycoplasma pneumoniae, ее размеры колеблются от 0,1 до 0,25 мкм в ширину, и примерно от 1 до 1,5 мкм в длину.
Палочковидная Bordetella pertussis, которая является возбудителем коклюша, колеблется от 0,2 до 0,5 мкм в диаметре и от 0,5 до 1 мкм в длину.

Штопоровидная Treponema pallidum, которая является возбудителем сифилиса, в среднем составляет всего 0,1 — 0,2 мкм в диаметре и от 6 до 15 мкм в длину.

Некоторые бактерии относительно крупные, имеют диаметр от 2 до 5 мкм и более, а максимальная ширина — 5 мкм и максимальная длина — 100 мкм в зависимости от вида.

Есть и гигантские бактерии, размеры в среднем составляют 750 мкм в диаметре, и палочковидная бактерия, длина которой колеблется от 30 до 600 мкм.

Многие бактериальные клетки выделяют некоторый внеклеточный материал в виде капсулы или слизистого слоя.

Слой слизи слабо связан с бактерией и может быть легко смыт, тогда как капсула плотно прикреплена к бактерии и имеет определенные границы.

Капсулы можно увидеть под световым микроскопом. Большинство капсул являются гидрофильными (водолюбивыми) и могут помочь бактерии избежать высыхания (обезвоживания), предотвращая потерю воды.

Капсулы делают бактериальные поверхностные компоненты более скользкими, помогая бактерии избежать поглощения фагоцитарными клетками.

Многие бактерии подвижны, способны плавать в жидкой среде, скользить по твердой поверхности.

Плавающие и скользящие бактерии обладают жгутиками, которые являются внеклеточными придатками, необходимыми для моторики.

Жгутики — это длинные спиралевидные нити, состоящие из одного типа белка и расположенные либо на концах палочковидной клетки, либо по всей ее поверхности.

Бактерии не только способны плавать или скользить в более благоприятных условиях, но и имеют придатки, которые позволяют им прилипать к поверхностям и не смываться текучими жидкостями.

Шаровидные бактерии

Шаровидные бактерии объединены общим названием «кокки» (в переводе с греч. «зерно»). Они могут быть круглой формы, продолговатые (овальные) или немного сплющенные. Их средний размер – от 0,5 до 1 мкм в диаметре. Они неподвижны и не образуют спор. Среда их обитания – почва, воздух, продукты. Болезнетворные кокки вызывают воспаление и нагноение.

Оказавшись в благоприятной питательной среде, бактериальная клетка начинает процесс размножения, образуя колонии белого, серого, желтого или красного цвета. Этот процесс у шаровидной особи представляет собой деление надвое, причем в любой ее плоскости. В результате такого деления каждая бактерия либо остается независимой, либо объединяется с другими.

Виды кокков

• Микрококки размножаются в пределах одной плоскости и в дальнейшем располагаются по одиночке, хаотично. Не патогенны.
• Диплококки располагаются преимущественно парами, не выходя за пределы одной плоскости (возбудители гонореи).
• Стрептококки в процессе размножения связываются между собой в одной плоскости, образуя строение, подобное бусам (вызывают сепсис, ангину, пародонтит, менингит, участвуют в приготовлении сметаны и масла).
• Тетракокки делятся в двух противоположных направлениях (перпендикулярно). В результате с каждой стороны образуется квадрат из 4 клеток. Не патогенны.
• Сарцины делятся в трех направлениях перпендикулярно друг другу, собираются по 8 клеток, образуя куб. Не патогенны.
• Стафилококки размножаются в спонтанных направлениях, в результате образуются скопления бактерий, по структуре напоминающие кисть винограда (у человека стафилококк поражает многие органы: кожу, легкие, кости, сердце).

Компоненты цитоплазмы

Внутри цитоплазматической мембраны заключена сложная динамическая система, называемая цитоплазмой. Она представляет собой специфический водный раствор с различными включениями.

Компоненты цитоплазмы:

• Рибосомы. Размер круглых органоидов варьируется в пределах 15−20 нм. Рибосомы синтезируют белок из аминокислот. Это основная функция структуры. Рибосома также соединяет белоксинтезирующую систему и транспортирует РНК.
• Мезосомы. Мембранное образование характерно для большинства прокариотов. Структуры характеризуются формой трубочек, пузырьков или петель. Главная функция мезосом — создание энергии. Частицы участвуют в делении бактериальных клеток и формировании спор.
• Гранулы. Эти частицы выступают дополнительным источником энергии для бактерий. В них содержатся полисахариды, небольшой объём жира и крахмал. Гранулы могут быть любой формы.

В центре прокариотов находится нуклеоид, который заменяет ядро. Он хранит основную часть клеточной информации микроорганизма. Нуклеоид представлен кольцом из молекулы ДНК длиной примерно 1 мкм. Он способен сохранить до 1000 признаков. С помощью этой структуры признаки и свойства передаются от бактерии потомству.

Плазмиды напоминают молекулы ДНК, но в них отсутствуют хромосомные факторы наследственности. Основная функция внутриклеточных структур — передача их свойств другим микроорганизмам. Плазмиды способны сохранять генетическую устойчивость к антибиотикам. Также они устойчивы к ультрафиолету и тяжёлым металлам. Обычно обладают кольцевой формой, но не исключена и линейная.

Извитые бактерии

Извитые бактерии имеют более или менее выраженную форму спирали. Размер этих бактерий варьируется от 0,1 до 500 мкм. Размножение происходит путем деления клетки.

Виды извитых одноклеточных

• Вибрионы имеют незначительный изгиб (не более четверти оборота спирали) и самые малые размеры в этой группе микроорганизмов – до 3 мкм (возбудитель холеры).
• Спириллы насчитывают от 1 до 6 оборотов спирали. Эти бактерии покрыты эластичной оболочкой, что обеспечивает их подвижность в процессе сжатия и распрямления по спирали (возбудитель содоку – инфекция укуса крыс).
• Спирохеты по своему строению отличаются значительным превышением длины тела относительно его ширины, имеют много оборотов спирали (винтообразные). Размер этих клеток достигает 500 мкм. Они обладают подвижностью благодаря наличию жгутиков (бактерия кариеса).

Палочковидные бактерии

Палочковидные бактерии отличаются цилиндрической или овоидной (яйцевидной) формой. Причем под воздействием неблагоприятных факторов структура клетки может меняться, приближаясь к шарообразной, и приобретать первоначальные формы по мере нормализации среды обитания.

По размеру палочковидные микроорганизмы могут быть короткими или очень короткими, тонкими или очень тонкими, по структуре – прямыми или ветвящимися. Длина таких палочек варьируется от 1 до 6 мкм, а толщина – от 0,5 до 2 мкм. Концы их клеток имеют разную форму: острую (возбудитель чумы), закругленную (кишечная палочка), утолщенную (дифтерия) или обрубленную (сибирская язва). Число палочковидных микроорганизмов значительно превышает количество кокков, в большинстве своем они болезнетворны.

Отличительной чертой отдельных представителей палочковидных является их способность к спорообразованию. Эта функция защищает микроорганизмы от опасных температур, ядовитых веществ и радиации – своеобразная реакция на неблагоприятную среду. Споры могут оставаться жизнеспособными на протяжении 30 – 40 лет.

Разделение палочковидных по наличию спор:

• Бактерии – это не только объединенное название безъядерных одноклеточных, но и в узком смысле группа палочковидных особей, которые не образуют спор (возбудители туберкулеза, кишечная палочка, сальмонеллы).
• Бациллы и клостридии способны к спорообразованию. Клостридия отличается тем, что диаметр ее споры превышает ширину самой клетки, в результате чего бактерия приобретает форму веретена.

Важное свойство бациллы – ее способность образовывать кислоту из углеводов, а также благополучно существовать в этой кислотной среде.

Кроме спорообразования, палочковидные формы обладают еще одним весомым плюсом по сравнению с кокками – подвижностью. Бактерия этого вида перемещается за счет жгутиков, расположенных на ее теле, а также благодаря своему строению, ведь значительное преимущество длины перед ее шириной создает благоприятные условия для движения (по законам гидродинамики). Скорость передвижения палочковидных варьируется от 20 до 200 мкм/с, за какую-то секунду клетка способна преодолеть расстояние, в 30 – 50 раз превышающее ее размеры. Подвижность бактерии направлена на поиск питательных веществ и уход от опасностей. Ее движение в одном направлении продолжается до тех пор, пока она улавливает сигнал о наличии впереди чего-то полезного. Как только сигнал снижается, бактерия меняет свое направление, пытаясь найти желаемый источник.

Морфология палочковидных представителей семейства бактерий в области размножения не сильно отличается от кокков – они точно так же делятся надвое, но только в этом случае их деление происходит исключительно поперек клетки. Новорожденные бактерии могут остаться в одиночестве либо присоединиться к своим собратьям.

Виды палочковидных по расположению после деления:

• Одиночные.
• Диплобактерии (располагаются попарно).
• Стрептобактерии, соединяясь, образуют цепи длиной в несколько миллиметров.

Важная роль, которую играют бактерии в жизни человека

Различные бактерии придают пищевым продуктам различные вкусовые качества и характеристики.

Некоторые бактерии превращают молоко в полезные молочные продукты, такие как пахта, йогурт и сыр. Другие виды бактерий уже давно используются в приготовлении и консервировании различных пищевых продуктов, полученных путем бактериального брожения, включая маринованные продукты, квашеную капусту и оливки.

Токсины многих патогенных бактерий, которые передаются в пищу, могут вызвать пищевое отравление при попадании внутрь организмов. К ним относятся токсин, вырабатываемый золотистым стафилококком, который вызывает быстрое, тяжелое, но ограниченное расстройство желудочно-кишечного тракта, или токсин ботулизма, который часто смертелен.

Бактерии часто используют, как средства борьбы с патогенными бактериальными инфекциями Например, пробиотики, это безвредные бактерии, которые препятствуют размножению патогенных бактерий. В других случаях для лечения инфекций использует бактериофаги, вирусы, которые убивают бактерии-патогены.

Что такое полезные бактерии?

Наиболее известные из полезных для человека бактерий – это бифидобактерии, которые живут в кишечнике, но погибают при минимально неблагоприятных условиях. Однако в здоровом состоянии они наделены весьма полезными особенностями — обеспечивают тело витаминами группы К и В, улучшают пищеварение и помогают переваривать углеводы. Следующие по степени известности – молочнокислые бактерии их насчитывают 25 видов. Живые микроорганизмы обеспечивают процесс брожения молочных продуктов. Используются они не только в пищевой промышленности, но и сельскохозяйственных целях, а также в народной медицине и фармакологии. Впрочем, есть и менее известные, но не менее полезные представители микрофлоры, например, стрептомицеты. Место их естественного обитания – почва. Именно с их помощью производятся борющиеся с грибками, бактериями и опухолями препараты. И еще один малоизвестный, но не менее полезный вид — азотобактер. Эти экземпляры имеют возможность сбора азота из воздуха. Основное их умение — обогащение почвы полезными микроэлементами, подстегивание роста растений, и очистка почвы от тяжелых металлов. Чаще всего применяются в сельском хозяйстве для производства азотных удобрений.

Нитчатые бактерии

Нитчатые бактерии представляют собой многоклеточный организм, образованный из соединенных между собой палочковидных клеток, объединенных общим чехлом. Самые большие экземпляры видны невооруженным глазом и достигают 1 см в длину. Обитают в водоемах. На концах бактериальных нитей располагаются особые спороподобные образования – гонидии и конидии. Отслаиваясь от основной нити, они отсоединяются, прикрепляются к подходящему предмету и образуют новую нить путем все того же деления, либо образуют нитевидное ответвление от основной нити. Не способны к спорообразованию и не несут опасности для здоровья человека.

Железобактерии в реке

Виды нитчатых микроорганизмов

• Серобактерии делают воду агрессивной, подвергают разрушению бытовые строения, установленные человеком в водоемах.
• Железобактерии объединяются в колонии, заиливают территорию, засоряют водосточные трубы, ухудшая проходимость воды.

Значение бактерий в круговороте веществ

• Бактерии принимают активное участие в преобразовании органических сложных веществ в более простые, а также неорганические. Благодаря им становится возможным естественный биологический круговорот в природе, быстро разлагаются остатки биомасс и возвращаются в качестве полезных веществ в биосферу.
• Бактерии способствуют образованию почвы как таковой.
• Некоторые виды этих микроорганизмов выполняют очистительную функцию, что сказывается на состоянии природных водоемов, а также на быстром преобразовании искусственных сточных ям.
• Такие разновидности, как цианобактерии, способны к фотосинтезирующему процессу. Таким образом, появившись на Земле около 2 млрд лет тому назад, они насытили окружающую среду молекулярным кислородом и напрямую способствовали созданию атмосферы, пригодной для жизни человека, животных. Также эти микроорганизмы оказали свое воздействие на состоянии озонового слоя, который защищает все живое от губительного воздействия интенсивных ультрафиолетовых лучей.
• Благодаря развитию генной инженерии и фармакологии, ученые научились использовать бактерии на благо человечества. Так, из бактерий кишечной палочки добывают инсулин, интерферон, из других видов — пищевой и кормовой белок.
• В хозяйственной деятельности человека бактерии интенсивно используются для повышения плодородности почв, а также борьбы с различными сорняками и насекомыми-вредителями.
• На основе бактерий ученые научились создавать такие промышленно важные вещества, как спирты, кислоты, ферменты, гормоны, витамины, антибиотики.

Всегда надо помнить, что патогенные бациллы могут стать причиной довольно серьезных заболеваний человека, животного или растения. Но вместе с тем тело здорового человека заселено микроорганизмами, которые участвуют в большинстве обменных процессов, а значит — приносят пользу.

Биотипы бактерий

Тот факт, что патогенные бактерии постоянно борются с иммунной системой своего хозяина, может объяснять ошеломляющее количество различных штаммов или типов бактерий, принадлежащих к одному и тому же виду. Им присуща мутация.

Для многих видов бактерий существуют тысячи различных штаммов, называемых сероварами, которые отличаются друг от друга главным образом антигенной идентичностью их липополисахаридов, жгутиков или капсул.

Различные серовары (например, штаммы кишечных бактерий, таких как кишечная палочка и сальмонелла кишечная) заселяясь в различных хозяев (животных или человека) вызывают различные заболевания. Образование этих многочисленных сероваров повышает способность бактерий эффективно реагировать на интенсивные защитные действия иммунной системы организмов.

Биотехнология

Бактерии широко применяются в направлении биотехнологии — генной инженерии. Их используют для получения различных химических веществ (белков).

В ДНК бактерии вставляют нужный ген (к примеру, ген, кодирующий белковый гормон — инсулин), бактерия принимает новый участок гена за свой собственный, в результате чего начинает синтезировать белок с данного участка. На рибосомах подобных бактерий синтезируется инсулин, который человек собирает, обрабатывает и использует как лекарство.

Бактерии используются для получения антибиотиков (тетрациклина, стрептомицина, грамицидина), широко применяемых в медицине. Бактерии также применяют в пищевой промышленности, где их используют для получения молочнокислых продуктов, алкогольных напитков.

Распространение в природе

Прокариоты повсеместно распространены на поверхности земли. Они встречаются в любой доступной среде, от полярных льдов до бурлящих горячих источников, от горных вершин до дна океана, от тел растений и животных до лесных почв. Некоторые бактерии могут расти в почве или в воде при температурах, близких к замерзанию (0 °C), тогда как другие процветают в воде при температурах, близких к кипению (100 °C).

Каждая бактерия приспособлена к жизни в определенной экологической нише, будь то океанические поверхности, грязевые отложения, почва или поверхности другого организма. Уровень бактерий в воздухе низок. В незагрязненных природных водоемах количество бактерий может исчисляться тысячами на миллилитр, в плодородной почве — миллионами на грамм, а в фекалиях — миллиардами на грамм.

Роль бактерий в органическом разложении является частью процесса удаления нежелательных биологических материалов из свалок и воды.

Прокариоты, само их количество играет, огромную роль в метаболизме веществ — иногда полезную, иногда вредную. Некоторые виды бактерий успешно разлагают природные и многие синтетические вещества. Например, органические отходы в сточных водах или компостных кучах превращаются бактериями либо в подходящие питательные вещества для метаболизма растений, либо в метан и углекислый газ.

Остатки всех органических веществ, включая растения и животных, в итоге превращаются в почву и газы.

Элементы, которые являются центральными для жизни, такие как углерод, азот и сера, превращаются бактериями из неорганических газообразных соединений в формы, которые могут быть использованы растениями и животными.

Использование человеком особенностей строения бактерий

Первыми микроорганизмами, которые были использованы человеком для своих нужд, были молочнокислые и бактерии спиртового брожения. Именно они готовили для нас и готовят до сих пор сыр, хлеб и вино. Причем пользоваться продуктом их работы люди начали задолго до открытия бактерий и начала изучения строения и состава продуктов их жизнедеятельности.

В настоящее время биологические методы очистки сточных и фекальных вод стали доступны не только муниципальным предприятиям, но и частным домовладельцам. Спящие культуры входят в состав современных препаратов для выгребных ям и локальных канализаций. Фермерские хозяйства часто используют кислотоустойчивые штаммы бактерий для скоростной переработки компоста и животноводческих отходов на удобрения и для многих других целей.

Также многие генетически модифицированные бактерии участвуют в процессах производства лекарственных препаратов, синтеза новых видов полимеров и других материалов с уникальными химическими свойствами и сложным строением.

Строение бактериальной клетки

Главная особенность строения бактериальной клетки — отсутствие ядра. Всю генетическую информацию несет в себе нуклеотид. Также бактериальная клетка имеет цитоплазматическую мембрану, которая отделяет цитоплазму от стенки клетки. Что касается характеристики самой цитоплазмы, то она имеет меньшее количество мембран, питательные вещества разбросаны в цитоплазме.

Почвы

Наибольшее количество бактерий обитает и размножается в почве, которая дает урожай. И именно от работы бактерий зависит, каким он будет. По определению, наибольшая роль в процессе обогащения почвы плодородным слоем принадлежит именно микрофлоре. Так, как поселившись в корнях растений, бактерии синтезируют полезные вещества.

Воздух

Наименее благоприятна для бактерий среда — воздух. И чем он холоднее, тем хуже живется в нем бактериям. Однако именно воздушно-капельным путем передаются многие бактериальные инфекции.

Водоемы

Вода — весьма благодатная среда для развития и роста бактерий — как полезных, так и патогенных. Именно через водоемы достаточно часто распространяются возбудители тяжелых заболеваний, нередко несущие все признаки эпидемий.

Организм животного

Как и в любом другом, в организме животного проживают десятки тысяч бактерий, в том числе и патогенных для человека. Поэтому особое внимание хозяева домашних питомцев должны уделять санитарной обработке своих любимцев.

Гранулы

Гранулы состоят из соединений, которые являются источником энергии и углерода.

Капсула

При неблагоприятных условиях внешней среды бактерии образуют капсулу. Микрокапсула плотно прилегает к стенке. Ее можно увидеть только в электронном микроскопе. Макрокапсулу часто образуют патогенные микробы (пневмококки). У клебсиеллы пневмонии макрокапсула обнаруживаются всегда.

 

Жгутики

• У некоторых бактериальных клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают передвигаться. В составе жгутиков находится сократительный белок флагелин.
• Количество жгутиков может быть разным — один, пучок жгутиков, жгутики на разных концах клетки или по всей поверхности.
• Движение (беспорядочное или вращательное) осуществляется в результате вращательного движения жгутиков.
• Антигенные свойства жгутиков оказывают токсический эффект при заболевании.
• Бактерии, не имеющие жгутиков, покрываясь слизью, способны скользить. У водных бактерий содержатся вакуоли в количестве 40 — 60, наполненные азотом.

Они обеспечивают погружение и всплытие. В почве бактериальная клетка передвигается по почвенным каналам.

 

Хемосинтез

Это процесс поглощения энергии, которая высвобождается в процессе химических реакций окисления и восстановления. Для него совершенно не нужен солнечный свет или кислород. Более того, многие бактерии, получающие энергию таким образом, живут в бескислородной среде. Они относятся к истинным (настоящим) бактериям.

Мезосомы

Мезосомы — производные клетки. Имеют разную форму — концентрические мембраны, пузырьки, трубочки, петли и др. Мезосомы имеют связь с нуклеоидом. Участие в делении клетки и спорообразовании — их основное предназначение.

Пили

• Пили (ворсинки, фимбрии) покрывают поверхность бактериальных клеток. Ворсинка представляет собой винтообразно скрученную тонкую полую нить белковой природы.
• Пили общего типа обеспечивают адгезию (слипание) с клетками хозяина. Их количество огромно и составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч. С момента прикрепления начинается любой инфекционный процесс.
• Половые пили способствуют переносу генетического материала от донора реципиенту. Их количество от 1 до 4-х на одну клетку.

 

Нуклеоид

Нуклеоид является аналогом ядра. Он расположен в центре клетки. В нем локализована ДНК — носитель наследственной информации в свернутом виде. Раскрученная ДНК достигает в длину 1 мм. Ядерное вещество бактериальной клетки не имеет мембраны, ядрышка и набора хромосом, не делится митозом. Перед делением нуклеотид удваивается. Во время деления число нуклеотидов увеличивается до 4-х.

 

Плазмиды

Плазмиды представляют собой автономные молекулы, свернутые в кольцо, двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.

 

Рибосомы

Рибосомы бактериальной клетки участвуют в синтезе белка из аминокислот. Рибосомы бактериальных клеток не объединены в эндоплазматическую сеть, как у клеток, имеющих ядро. Именно рибосомы часто становятся «мишенью» для многих антибактериальных препаратов.

Включения

Включения — продукты метаболизма ядерных и безъядерных клеток. Представляют собой запас питательных веществ: гликоген, крахмал, сера, полифосфат (валютин) и др. Включения часто при окраске приобретают иной вид, чем цвет красителя. По валютину можно диагностировать дифтерийную палочку.

Размножение бактерий

Бактерии, как прокариоты (доядерные организмы), не могут делиться митозом, так как основное условие митоза — наличие ядра. Бактерии делятся бинарным делением клетки.

В ходе бинарного деления бактерия делится на две дочерние клетки, являющиеся генетическими копиями материнской. Деление в среднем происходит раз в 20 минут, популяция бактерий растет в геометрической прогрессии.

При размножении в лабораторных условиях бактерии образуют колонии. Колонии — видимые невооруженным глазом скопления клеток, образуемые в процессе роста и размножения микроорганизмов на питательном субстрате. Колонии выращиваются в чашках Петри.

Ветвящиеся формы бактерий

Ветвящиеся бактерии – длинные палочки, имеющие разветвление, встречающиеся у бифидобактерий. Кроме того к ветвящимся формам относятся актиномицеты.

Способы питания

Наиболее важными для мира микробов элементами являются углерод, азот, водород и кислород. Как правило, необходимость в последних двух одноклеточные удовлетворяют за счет воды. В остальном — бактерии делятся на имеющих углеродный тип питания и азотный. Первый тип питания предполагает получение азотных соединений за счет углекислого газа, самостоятельно его поглощать могут аутотрофы. А вот гетеротрофы питаются готовыми органическими соединениями либо отмершими (фактически продуктами гниения), либо живыми тканями растений и животных.

Классификация бактерий по форме

При микроскопии становятся заметны явные отличия форм бактерий.

По форме бактериальные клетки подразделяются на:

• Стафилококки — их скопления похожи на виноградные грозди
• Диплококки — округлой формы, расположенные попарно
• Стрептококки — объединяются в цепочки, напоминающие нити жемчуга
• Палочки
• Вибрионы — изогнутые в виде запятой
• Спириллы — спирально извитые палочки
• Спирохеты — сильно извитые (до 10-15 витков) палочки

Грамположительная клеточная стенка

Грамположительные клеточные стенки содержат малое количество полисахаридов, липидов и белков, но большое количество пептидогликана муреина, который образует толстую многослойную структуру и составляет от 40 до 90 % массы клеточной стенки.

Грамотрицательная клеточная стенка

Первая характеризуется наличием небольшого количества пептидогликана муреина — 5-10 % массы и образует два тонких слоя. Кнаружи от пептидогликана расположен слой липопротеина, соединенный с муреином. За ним следует наружная мембрана клеточной стенки. Наружная мембрана при этом состоит из трех основных компонентов и является ассиметричной:

• Ближе к пептидогликану располагается липид А — консервативная структур, одинаковая у грамотрицательных бактерий.Он состоит из фосфорилированных гликозоаминовых единиц, с прикрепленными к ним цепочками жирных кислот.
• Средний слой – ядро — относительно консервативная олигосахаридная структура.
• Наружний слой – высоко вариабельный липополисахарид, который образует так называемый О-антиген.

Спорообразование

Это еще один залог выживания бактерий, заложенный в них природой. В случае попадания в неблагоприятную среду, где остро ощущается недостаток пищи, микротела начинают борьбу за выживание посредством формирования спор. Этот процесс характерен для палочковидных, в редких случаях — для кокков. Проходит он в семь этапов. Получившаяся спора может выдержать и кипячение, и промораживание, и действие некоторых дезсредств.

Особенности оболочки грамотрицательных бактерий

Несмотря на то, что толщина мукопептидной стенки у них намного меньше, стенка является непроницаемой для кристаллического фиолетового красителя. Все дело в принципиально ином строении и химическом составе клеточной оболочки грамотрицательных бактерий. Оболочка имеет многослойную структуру и состоит из:

• внешней оболочки (мембаны), основной ее состав – липосахариды и белки;
• периплазматического пространства;
• внутреннего слоя (муреин пептидогликановый), его состав аналогичен, как и у стенок грамположительных бактерий, но как правило, более чем в два раза тоньше.

Благодаря более сложной структуре некоторые представители этой группы имеют повышенную устойчивость к антителам и антибиотикам.

С усложнением клеточной стенки появились новые функции и возможности. Некоторые виды бактерий, живущие на твердых поверхностях, приобрели возможность менять форму клетки (стенки «скелета» стали пластичными). Это важно при скольжении и перемещении по неровностям твердой среды обитания.

Периплазматическое пространство приобрело функцию изолированного места хранения некоторых гидролизующих ферментов, необходимых для жизнедеятельности клетки, но в то же время способных расщепить и полимерные молекулы самой бактерии. Благодаря гидролизу попадающих извне полимерных молекул живая клетка расширяет круг пригодных для питания веществ, в то же время непроницаемая для ферментов внутренняя оболочка препятствует «самоперевариванию» бактериальной клетки.

В структуру внешней мембраны входят белки, способные образовывать гидрофильные поры, через которые внутрь клетки могут проходить некоторые макромолекулы (сахара и аминокислоты), необходимые для питания бактерии.

К данному классу бактерий относятся многие бактерии, способные менять химический состав среды обитания (бактерии уксусного и спиртового брожения); симбиотические – кишечная палочка (E coli), многие патогенные (болезнетворные) организмы, такие как менингококк (Neisseria meningitidis); легионелла (Legionella pneumophila), и знаменитая Helicobacter pylori вызывающая язвенную болезнь и обладающая высокой кислотоустойчивостью.

Как размножаются бактерии?

Такие простейшие организмы размножаются тоже довольно простым методом — они делятся. Каждая клетка растет, затем делится на две одинаковые, которые растут и делятся в свою очередь. Если бактерии попали в благодатную среду, то размножаться смогут с периодичностью раз в полчаса.

Деление клеток

Размножение одноклеточных микроорганизмов, в том числе и бактерий, происходит путём деления клетки. Сначала она удлиняется, а внутри неё появляется поперечная перегородка. Затем структура разделяется на 2 равные по размеру дочерние клетки, которые потом расходятся.

Главное отличие размножения клетки бактерий в том, что в процессе размножения участвует реплицированная ДНК. При бинарном делении образуется перегородка под названием септа. Она помогает разделить дочерние части, постепенно расслаиваясь в середине материнской клетки.

Также у некоторых микроорганизмов может наблюдаться неравноценное деление. Например, у грамотрицательной бактерии Caulobacter crescentus одна дочерняя структурная единица подвижная и обладает жгутиком для хемотаксиса. А вторая клетка остаётся прикреплённой к субстрату с помощью стебелька. Подвижные микроорганизмы сначала пребывают в свободном плавании, а потом делятся на части. Репликация хромосом и размножение бактерий происходит на стадии прикреплённой клетки.

При благоприятных условиях микроорганизмы быстро растут и размножаются. Популяция некоторых видов бактерий может удваиваться через каждые 10 минут.

Строение бактериальных клеток довольно простое, хотя за много лет существования их структура достаточно усложнилась. Учёные открыли больше 10 тыс. этих видов прокариотов, однако они считают, что на планете есть ещё много нераскрытых микроорганизмов.

Заключение

Бактерии играют важную роль в жизни всей планеты, ее экосистемы, и, конечно, в жизни человека, в его эволюции. Без них мы бы просто не существовали в том виде, в котором знаем себя. Изучая эти удивительные микроорганизмы, и правильно сосуществуя с ними в нашей жизни, мы можем решить многие проблемы со здоровьем, с чистотой в нашем доме, да и на всей Земле.