И в курсе школьной программы, и в рамках специализированного университетского образования обязательно рассматривают примеры из царства бактерий. Эта древнейшая форма жизни на нашей планете появилась раньше, чем любые другие, известные человеку. Впервые, как оценивают ученые, бактерии сформировались около трех с половиной миллиардов лет тому назад, и около миллиарда лет на планете не существовало иных форм жизни. Примеры бактерий, наших врагов и друзей, обязательно рассматриваются в рамках любой образовательной программы, ведь именно эти микроскопические формы жизни делают возможными процессы, характерные нашему миру.

Особенности распространённости

Где в живом мире можно встретить примеры бактерий? Да практически везде! Они есть и в родниковой воде, и в пустынных дюнах, и элементах почвы, воздуха и скалистых пород. В антарктических льдах, к примеру, бактерии живут при морозе -83 градуса, но не мешает им и высокая температура - обнаружены формы жизни в источниках, где жидкость прогрета до +90. О плотности населения микроскопического мира говорит тот факт, что, к примеру, бактерии в грамме почвы - это неисчислимые сотни миллионов.

Бактерии могут жить на любой другой форме жизни - на растении, животном. Многие знают словосочетание «микрофлора кишечника», а по телевизору постоянно рекламируют продукты, которые ее улучшают. Фактически она, к примеру, бактериями как раз и сформирована, то есть в норме в человеческом организме тоже живет неисчислимо много микроскопических форм жизни. Они есть и на нашей коже, во рту - словом, где угодно. Некоторые из них действительно вредны и даже опасны для жизни, поэтому так широко распространены антибактериальные средства, а вот без других выжить было бы просто невозможно - наши виды сосуществуют в симбиозе.

Условия обитания

Какой ни приведи пример бактерий, организмы эти исключительно стойкие, могут выжить в неблагоприятных условиях, легко приспосабливаются к отрицательным факторам. Некоторые формы нуждаются в кислороде для обеспечения жизнедеятельности, а другие могут прекрасно обходиться даже без него. Известно много примеров представителей бактерий, превосходно выживающих в бескислородной среде.

Исследования показали, что микроскопические формы жизни могут выжить при сильном морозе, им не страшна очень высока сухость или повышение температуры. Споры, которыми размножаются бактерии, без труда справляются даже с продолжительным кипячением или обработкой низкими температурами.

Какие бывают?

Разбирая примеры бактерий (врагов и друзей человека), нужно помнить, что современная биология вводит систему классификации, несколько упрощающую понимание этого многообразного царства. Принято говорить о нескольких разных формах, каждая из которых имеет специализированное наименование. Так, кокками называются бактерии в форме шара, стрептококками - шары, собранные в цепочку, а если образование похоже на гроздь, тогда его относят к группе стафилококков. Известны такие микроскопические формы жизни, когда в одной капсуле, покрытой слизистой оболочкой, живут сразу две бактерии. Такие называют диплококками. Бациллы имеют форму палочек, спириллы - спирали, а вибрионы - это такой пример бактерии (привести его должен уметь любой школьник, ответственно проходящий программу), который похож по форме на запятую.

Такое наименование было принято относительно микроскопических форм жизни, которые при проведении анализа по Граму не меняют окраску под воздействием кристаллического фиолетового. К примеру, бактерии болезнетворные и безопасные из класса грамположительных сохраняют фиолетовый оттенок даже если промыть их спиртом, а вот грамотрицательные полностью обесцвечены.

При исследовании микроскопической формы жизни после промывания по Граму необходимо использовать контрактное окрашивающее вещество (сафранин), под влиянием которого бактерия станет розовой либо красной. Такая реакция обусловлена строением внешней мембраны, не дающей красителю проникнуть внутрь.

Зачем это нужно?

Если в рамках школьного курса ученику дают задание привести примеры бактерий, обычно он может вспомнить те формы, которые рассмотрены в учебнике, и для них уже указаны их ключевые особенности. Тест с окрашиванием был изобретен как раз для выявления этих специфических параметров. Первоначально исследование преследовало целью классификацию представителей микроскопической формы жизни.

Результаты теста по Граму позволяют делать выводы относительно строения стенок клеток. На основании полученной информации можно разделять все выявленные формы на две группы, что далее учитывается в работе. К примеру, болезнетворные бактерии из класса грамотрицательных значительно более стойкие к влиянию антител, так как клеточная стенка непроницаемая, защищенная, мощная. А вот для грамположительных стойкость характерна заметно более низкая.

Патогенность и особенности взаимодействия

Классический пример заболевания, вызываемого бактериями - это воспалительный процесс, который может развиться в самых разных тканях и органах. Чаще всего такую реакцию провоцируют грамотрицательные формы жизни, поскольку их клеточные стенки вызывают реакцию со стороны иммунной системы человека. В стенках содержится ЛПС (липополисахаридный слой), в ответ на который организм генерирует цитокины. Это провоцирует воспаление, организм хозяина вынужден справляться с повышенным производством отравляющих компонентов, что обусловлено борьбой между микроскопической формой жизни и иммунной системой.

Какие известны?

В медицине в настоящее время особенное внимание уделяется трем формам, провоцирующим серьезные заболевания. Половым путем передается бактерия Neisseria gonorrhoeae, симптоматика респираторных патологий наблюдается при заражении организма Moraxella catarrhalis, а одно из очень опасных для человека заболеваний - менингит - провоцируется бактерией Neisseria meningitidis.

Бациллы и заболевания

Рассматривая, к примеру, бактерии, заболевания, которые они провоцируют, просто нельзя обойти вниманием бациллы. Слово это в настоящее время известно любому обывателю, даже очень слабо представляющему себе особенности микроскопических форм жизни, а ведь именно эта разновидность грамотрицательных бактерий исключительно важна для современных докторов и исследователей, так как провоцирует серьезные проблемы дыхательной системы человека. Известны также примеры заболеваний мочеиспускательной системы, спровоцированные таким заражением. Некоторые бациллы негативно влияют на работу ЖКТ. Степень поражения зависит как от иммунитета человека, так и от конкретной формы, заразившей организм.

Определенная группа грамотрицательных бактерий связана с повышенной вероятностью внутрибольничной инфекции. Самые опасные из относительно широко распространённых вызывают вторичный менингит, пневмонию. Наиболее аккуратными должны быть работники медицинских учреждений отделения интенсивной терапии.

Литотрофы

Рассматривая примеры питания бактерий, особенное внимание нужно уделить уникальной группе литотрофов. Это такая микроскопическая форма жизни, которая для своей деятельности энергию получает из неорганического соединения. В расход идут металлы, сероводород, аммоний, многие иные соединения, из которых бактерия получает электроны. В качестве окислителя в реакции выступает молекула кислорода либо иное соединение, уже прошедшее этап окисления. Перенос электрона сопровождается продуцированием энергии, запасаемой организмом и используемой в метаболизме.

Для современных ученых литотрофы интересны в первую очередь потому, что представляют собой довольно нетипичные для нашей планеты живые организмы, и исследование позволяет существенно расширить представления о возможностях, которые есть у некоторых групп живых существ. Зная примеры, названия бактерий из класса литотрофов, исследовав особенности их жизнедеятельности, можно в некоторой степени восстановить первичную экологическую систему нашей планеты, то есть период, когда фотосинтеза не было, кислорода не существовало, и даже органического вещества пока еще не появилось. Изучение литотрофов дает шанс познания жизни на иных планетах, где таковая может реализовываться за счет окисления неорганики, при полном отсутствии кислорода.

Кто и что?

Что такое в природе литотрофы? Пример - клубеньковые бактерии, хемотрофные, карбокситрофные, метаногены. В настоящее время ученые не могут утверждать точно, что удалось обнаружить все разновидности, принадлежащие к этой группе микроскопических форм жизни. Предполагается, что дальнейшие исследования в этом направлении - одна из наиболее перспективных областей микробиологии.

Литотрофы принимают активное участие в циклических процессах, важных для условий существования жизни на нашей планете. Нередко химические реакции, провоцируемые этими бактериями, довольно сильно воздействуют на пространство. Так, серобактерии могут окислить сероводород в осадках на дне водоема, и без такой реакции компонент реагировал бы с кислородом, содержащимся в водных слоях, что сделало бы жизнь в нем невозможной.

Симбиоз и противостояние

Кто не знает примеры вирусов, бактерий? В рамках школьного курса всем рассказывают о бледной трепонеме, которая может спровоцировать сифилис, фламбезию. Есть и вирусы бактерий, которые науке известны как бактериофаги. Как показали исследования, всего лишь за одну секунду они могут заразить 10 в 24-й степени бактерий! Это одновременно и мощный инструмент эволюции, и применимый для генной инженерии способ, в настоящее время активно исследуемый учеными.

Важность жизни

В обывательской среде бытует заблуждение, будто бы бактерии - это только лишь причина человеческого заболевания, и больше никакой ни пользы, ни вреда от них нет. Обусловлен такой стереотип антропоцентрической картиной окружающего мира, то есть представлением, будто бы все каким-то образом соотносится с человеком, вращается вокруг него и только для него и существует. На самом деле, речь идет о постоянном взаимодействии без какого-либо конкретного центра вращения. Бактерии и эукариоты взаимодействуют столько, сколько существуют оба этих царства.

Первый способ борьбы с бактериями, изобретенный человечеством, был связан с открытием пенициллина, грибка, способного уничтожать микроскопические формы жизни. Грибки принадлежат к царству эукариотов и с точки зрения биологической иерархии находятся в более близком родстве с человеком, нежели растения. Но исследования показали, что грибки - это далеко не единственное и даже не первое, что стало врагом бактерий, ведь эукариоты появились намного позже микроскопической жизни. Первоначально борьба между бактериями (а других форм просто не существовало) шла с применением компонентов, которые эти организмы продуцировали, чтобы отвоевать себе место для существования. В настоящее время человек, пытаясь обнаружить новые способы борьбы с бактериями, может лишь открывать те методы, которые известны природе давно и применялись организмами в борьбе за жизнь. А вот лекарственная устойчивость, которая столь сильно пугает многих - это нормальная реакция сопротивления, присущая микроскопической жизни многие миллионы лет. Именно она и обусловила способность бактерий выживать все это время и продолжать развиваться и размножаться.

Нападай или умри

Наш мир - место, где может выжить только приспособленный к жизни, способный защищаться, нападать, выживать. В то же время способность к нападению тесно связана с вариантами защиты себя, своей жизни, интересов. Если некоторая бактерия не могла спастись от антибиотиков, этот вид вымирал. Существующие в настоящее время микроорганизмы обладают довольно развитыми и сложными защитными механизмами, эффективными против самых разных веществ и соединений. Наиболее применимый в природе метод - перенаправление опасности на другую мишень.

Появление антибиотика сопровождается воздействием на молекулу микроскопического организма - на РНК, белок. Если изменить мишень, тогда изменится место, куда может привязаться антибиотик. Точечная мутация, которая делает один организм стойким к воздействию агрессивного компонента, становится причиной совершенствования всего вида, так как именно эта бактерия продолжает активное размножение.

Вирусы и бактерии

Эта тема в настоящее время вызывает много разговоров как в среде профессионалов, так и обывателей. Чуть ли не каждый второй мнит себя специалистом по вирусам, что связано с работой систем массовой информации: едва приближается эпидемия гриппа, как везде и всюду говорят и пишут о вирусах. Человек, познакомившись с этими данными, начинает верить, что он знает все, что только возможно. Конечно, знакомиться с данными полезно, но не стоит заблуждаться: не только обывателям, но и профессионалам в настоящее время еще только предстоит открыть большую часть информации об особенностях жизнедеятельности вирусов и бактерий.

Между прочим, в последние годы значительно возросло число людей, убежденных, что рак - вирусное заболевание. Многие сотни лабораторий по всему миру проводили исследования, из которых можно сделать такой вывод относительно лейкемии, саркомы. Впрочем, пока это лишь предположения, а официальной доказательной базы недостаточно, чтобы можно было заключить точно.

Вирусология

Это довольно молодое направление науки, зародившееся восемь десятилетий тому назад, когда обнаружили, что провоцирует мозаичное заболевание табака. Заметно позже получили первое изображение хотя и очень неточное, а более-менее корректные исследования проводятся лишь в последние пятнадцать лет, когда доступные человечеству технологии сделали возможным изучение столь малых форм жизни.

В настоящее время нет точной информации о том, как и когда появились вирусы, но одна из основных теорий гласит, что эта форма жизни произошла от бактерий. Вместо эволюции здесь имела место деградация, развитие повернулось назад, и сформировались новые одноклеточные организмы. Группа ученых утверждает, что ранее вирусы были значительно более сложными, но ряд особенностей утратили с течением времени. Состояние, которое доступно для изучения современному человеку, разнообразие данных генетического фонда - лишь отголоски разных степеней, этапов деградации, свойственных тому или иному виду. Насколько корректна эта теория, пока неизвестно, но и наличие тесной связи между бактериями и вирусами отрицать невозможно.

Бактерии: такие разные

Даже если современный человек понимает, что бактерии окружают его везде и всюду, все равно сложно осознать, насколько сильно процессы окружающего мира зависят от микроскопических форм жизни. Только недавно ученые выяснили, что живые бактерии наполняют даже облака, куда поднимаются с паром. Способности, данные таким организмам, удивляют и вдохновляют. Некоторые провоцируют преобразование воды в лед, что становится причиной осадков. Когда гранула начинает падение, она снова тает, и на землю обрушивается поток воды - или снега, что зависит от климата и сезона. Не так давно ученые предположили, что посредством бактерий можно добиться увеличения объема осадков.

Описанные способности пока удалось обнаружить при исследовании вида, получившего научное наименование Pseudomonas Syringae. Ученые и раньше предполагали, что чистые для человеческого глаза облака наполнены жизнью, и современные средства, технологии и инструменты позволили доказать эту точку зрения. По приблизительным оценкам, кубический метр облака наполнен микробами в концентрации 300-30 000 экземпляров. Среди прочих здесь присутствует упомянутая форма Pseudomonas Syringae, провоцирующая формирование из воды льда при довольно высокой температуре. Впервые ее обнаружили несколько десятилетий назад, исследуя растения, и вырастили в искусственной среде - это оказалось достаточно просто. В настоящее время Pseudomonas Syringae активно работают на благо человечества на лыжных курортах.

Как это происходит?

Существование Pseudomonas Syringae сопряжено с продуцированием белков, сеткой покрывающих поверхность микроскопического организма. При приближении водяной молекулы начинается химическая реакция, решетка разравнивается, появляется сетка, что и становится причиной формирования льда. Ядро притягивает к себе воду, увеличивается в размерах и массе. Если все это происходило в облаке, тогда нарастание веса приводит к невозможности дальнейшего парения и гранула падает вниз. Форма осадков определяется температурой воздуха вблизи поверхности земли.

Предположительно, к Pseudomonas Syringae можно прибегать в период засухи, для чего нужно внедрить колонию бактерий в облако. В настоящее время ученые не знают точно, какая концентрация микроорганизмов может спровоцировать дождь, поэтому проводятся эксперименты, берутся пробы. Одновременно необходимо выяснить, для чего Pseudomonas Syringae перемещается облаками, если в норме микроорганизм обитает на растении.

Морфология бактерий, строение прокариотической клетки.

В прокариотических клетках нет четкой границы между ядром и цитоплазмой, отсутствует ядерная мембрана. ДНК в этих клетках не образует структур, похожих на хромосомы эукариот. Поэтому у прокариот не происходят процессы митоза и мейоза. Большинство прокариот не образует внутриклеточных органелл, ограниченных мембранами. Кроме того, в прокариотических клетках нет митохондрий и хлоропластов.

Бактерии , как правило, являются одноклеточными организмами, клетка их имеет довольно простую форму, представляет собой шар или цилиндр, иногда изогнутый. Размножаются бактерии преимущественно делением на две равноценные клетки.

Бактерии шаровидной формы называются кокками и могут быть сферическими, эллипсоидальными, бобовидными и ланцетовидными.

По расположению клеток относительно друг друга после деления кокки подразделяют на несколько форм. Если после деления клетки расходятся и располагаются поодиночке, то такие формы называют монококками . Иногда кокки при делении образуют скоплений, напоминающие виноградную гроздь. Подобные формы относятся к стафилококкам . Кокки, остающиеся после деления в одной плоскости связанными парами, называются диплококками , а образующие различной длины цепочки - стрептококками . Сочетания из четырех кокков, появляющиеся после деления клетки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, представляют собой тетракокки . Некоторые кокки делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, что приводит к образованию своеобразных скоплений кубической формы, называемых сардинами.

Большинство бактерий имеют цилиндрическую , или палочковидную, форму. Палочковидные формы бактерий, образующие споры, именуют бациллами , а не образующие споры - бактериями .

Палочковидные бактерии различаются по форме, размеру в длину и в поперечнике, форме концов клетки, а также по взаимному расположению. Они могут иметь цилиндрическую форму с прямыми концами или овальную - с закругленными или заостренными концами. Бактерии бывают также слегка изогнутыми, встречаются нитевидные и ветвящиеся формы (например, микобактерии и актиномицеты).

В зависимости от взаимного расположения отдельных клеток после деления палочковидные бактерии делят на собственно палочки (одиночное расположение клеток), диплобактерии или диплобациллы (парное расположение клеток), стрептобактерии или стрептобациллы (образуют цепочки различной длины). Нередко встречаются извитые, или спиралевидные, бактерии. К этой группе относятся спириллы (от лат. spira - завиток), имеющие форму длинных изогнутых (от 4 до 6 витков) палочек, и вибрионы (лат. vibrio - изгибаюсь), представляющие собой лишь 1/4 часть витка спирали, похожие на запятую.

Известны нитевидные формы бактерий, обитающие в водоемах. Кроме перечисленных, встречаются многоклеточные бактерии, несущие на поверхности клетки протоплазм этические выросты - простеки, треугольные и звездообразные бактерии, а также имеющие форму замкнутого и незамкнутого кольца и червеобразные бактерии.

Клетки бактерий очень малы. Их измеряют в микрометрах, а детали тонкой структуры - в нанометрах. Кокки обычно имеют диаметр около 0,5-1,5 мкм. Ширина палочковидных (цилиндрических) форм бактерий в большинстве случаев колеблется от 0,5 до 1 мкм, а длина равняется нескольким микрометрам (2-10). Мелкие палочки имеют ширину 0,2-0,4 и длину 0,7-1,5 мкм. Среди бактерий могут встречаться и настоящие гиганты, длина которых достигает десятков и даже сотен микрометров. Формы и размеры бактерий значительно изменяются в зависимости от возраста культуры, состава среды и ее осмотических свойств, температуры и других факторов.

Из трех основных форм бактерий кокки наиболее стабильны по размерам, палочковидные бактерии более изменчивы, причем особенно значительно меняется длина клеток.

Бактериальная клетка, помещенная на поверхность твердой питательной среды, растет, делится, образуя колонию бактерий-потомков. Через несколько часов роста колония состоит уже из такого большого числа клеток, что ее можно видеть невооруженным глазом. Колонии могут иметь слизистую или пастообразную консистенцию, в некоторых случаях они бывают пигментированы. Иногда внешний вид колоний настолько характерен, что позволяет без особых трудностей провести идентификацию микроорганизмов.

Основы физиологии бактерий.

По химическому составу микроорганизмы мало отличаются от других живых клеток.

Вода составляет 75-85% , в ней растворены химические вещества.

Сухое вещество 15-25%, в состав входят органические и минеральные соединения

Питание бактерий. Поступление в бактериальную клетку питательных веществ осуществляется несколькими способами и зависит от концентрации веществ, величины молекул, рН среды, проницаемости мембран и др. По типу питания микроорганизмы делятся на:

автотрофы – синтезируют все углеродсодержащие вещества из СО2;

гетеротрофы – в качестве источника углерода используют органические вещества;

сапрофиты – питаются органическими веществами отмерших организмов;

Дыхание бактерий . Дыхание, или биологическое окисление основано на окислительно-восстановительных реакциях, идущих с образованием молекулы АТФ. По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы:

облигатные аэробы – могут расти только при наличии кислорода;

облигатные анаэробы – растут на среде без кислорода, который для них токсичен;

факультативные анаэробы – могут расти как при кислороде, так и без него.

Рост и размножение бактерий. Большинство прокариот размножаются бинарным делением пополам, реже почкованием и фрагментацией. Бактерии, как правило, характеризуются высокой скоростью размножения. Время деления клетки у различных бактерий колеблется довольно в широких пределах: от 20 минут у кишечной палочки до 14 часов у микобактерий туберкулеза. На плотных питательных средах бактерии образуют скопления клеток, называемые колониями.

Ферменты бактерий. Важную роль в обмене веществ микроорганизмов играют ферменты. Различают:

эндоферменты – локализуются в цитоплазме клеток;

экзоферменты – выделяются в окружающую среду.

Ферменты агрессии разрушают ткань и клетки, обусловливая широкое распространение микробов и их токсинов в инфицированной ткани. Биохимические свойства бактерий определяются составом ферментов:

сахаролитические –расщепление углеводов;

протеолитические – расщепление белков,

липолитические – расщепление жиров,

и являются важным диагностическим признаком при идентификации микроорганизмов.

Для многих патогенных микроорганизмов оптимальными являются температура 37°С и рН 7,2-7,4.

Вода. Значимость воды для бактерий. Вода составляет около 80% массы бактерий. Рост и развитие бактерий облигатно зависят от наличия воды, так как все химические реакции, протекающие в живых организмах, реализуются в водной среде. Для нормального роста и развития микроорганизмов необходимо присутствие воды в окружающей среде.

Для бактерий содержание воды в субстрате должно быть более 20%. Вода должна находиться в доступной форме: в жидкой фазе в интервале температур от 2 до 60 °С; этот интервал известен как биокинетическая зона. Хотя в химическом отношении вода весьма устойчива, продукты её ионизации - ионы Н+ и ОН" оказывают очень большое влияние на свойства практически всех компонентов клетки (белков, нуклеиновых кислит, липидов и т.д.). Так, каталитическая активность ферментов в значительной мере зависит от концентрации ионов Н+ и ОН".

Брожение как основной способ получения энергии у бактерий.

Брожение - это метаболический процесс, в результате которого образуется АТФ, а доноры и акцепторы электронов, это продукты образующиеся в ходе самого брожения.

Брожение – процесс ферментативного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, протекающий без использования кислорода. Служит источником энергии для жизнедеятельности организма и играет большую роль в круговороте веществ и в природе. Некоторые виды брожения, вызываемые микроорганизмами (спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое), используются в производстве этилового спирта, глицерина и других технических и пищевых продуктов.

Спиртовое брожение (осуществляется дрожжами и некоторыми видами бактерий), в ходе него пируват расщепляется на этанол и диоксид углерода. Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии и винокурении.

Молочнокислое брожение , в ходе которого пируват восстанавливается до молочной кислоты, осуществляют молочнокислые бактерии и другие организмы. При сбраживании молока молочнокислые бактерии преобразуют лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты (йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам кисловатый вкус.

Молочнокислое брожение происходит также в мышцах животных, когда потребность в энергии выше, чем обеспечиваемая дыханием, и кровь не успевает доставлять кислород.

Обжигающие ощущения в мышцах во время тяжелых физических упражнений соотносятся с получением молочной кислоты и сдвигом к анаэробному гликолизу, поскольку кислород преобразуется в диоксид углерода аэробным гликолизом быстрее, чем организм восполняет запас кислорода; а болезненность в мышцах после физических упражнений вызвана микротравмами мышечных волокон. Организм переходит к этому менее эффективному, но более скоростному методу производства АТФ в условиях недостатка кислорода. Затем печень избавляется от излишнего лактата, преобразуя его обратно в важное промежуточное звено гликолиза - пируват.

Уксуснокислое брожение осуществляют многие бактерии. Уксус (уксусная кислота) - прямой результат бактериальной ферментации. При мариновании продуктов уксусная кислота предохраняет пищу от болезнетворных и вызывающих гниение бактерий.

Маслянокислое брожение приводит к образованию масляной кислоты; его возбудителями являются некоторые анаэробные бактерии рода Клостридиум.

Размножение бактерий.

Некоторые бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное деление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящий к образованию от 4 до 1024 новых клеток). Для обеспечения необходимой для эволюции и приспособления к изменчивой окружающей среде пластичности генотипа у них существуют иные механизмы.

При делении большинство грамположительных бактерий и нитчатых цианобактерий синтезируют поперечную перегородку от периферии к центру при участии мезосом. Грамотрицательные бактерии делятся путём перетяжки: на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся искривление ЦПМ и клеточной стенки внутрь. При почковании на одном из полюсов материнской клетки формируется и растёт почка, материнская клетка проявляет признаки старения и обычно не может дать более 4 дочерних. Почкование имеется у разных групп бактерий и, предположительно, возникало несколько раз в процессе эволюции.

У других бактерий кроме размножения наблюдается половой процесс, но в самой примитивной форме. Половой процесс бактерий отличается от полового процесса эукариот тем, что у бактерий не образуются гаметы и не происходит слияния клеток. Механизм рекомбинации у прокариот. Однако главнейшее событие полового процесса, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае. Это называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК (очень редко вся ДНК) клетки-донора переносится в клетку-реципиент, ДНК которой генетически отличается от ДНК донора. При этом перенесённая ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе замещения ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. При этом образуется ДНК, которая содержит гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У потомства, или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смещением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволюции и является главным преимуществом полового процесса.

Известны 3 способа получения рекомбинантов. Это - в порядке их открытия - трансформация, конъюгация и трансдукция.

Происхождение бактерий.

Бактерии наряду с археями были одними из первых живых организмов на Земле, появившись около 3,9-3,5 млрд лет назад. Эволюционные взаимоотношения между этими группами ещё до конца не изучены, есть как минимум три основные гипотезы: Н. Пэйс предполагает наличие у них общего предка протобактерии, Заварзин считает архей тупиковой ветвью эволюции эубактерий, освоившей экстремальные местообитания; наконец, по третьей гипотезе археи - первые живые организмы, от которых произошли бактерии.

Эукариоты возникли в результате симбиогенеза из бактериальных клеток намного позже: около 1,9-1,3 млрд лет назад. Для эволюции бактерий характерен ярко выраженный физиолого-биохимический уклон: при относительной бедности жизненных форм и примитивном строении, они освоили практически все известные сейчас биохимические процессы. Прокариотная биосфера имела уже все существующие сейчас пути трансформации вещества. Эукариоты, внедрившись в неё, изменили лишь количественные аспекты их функционирования, но не качественные, на многих этапах циклов элементов бактерии по-прежнему сохраняют монопольное положение.

Одними из древнейших бактерий являются цианобактерии. В породах, образованных 3,5 млрд лет назад, обнаружены продукты их жизнедеятельности - строматолиты, бесспорные свидетельства существования цианобактерий относятся ко времени 2,2-2,0 млрд лет назад. Благодаря им в атмосфере начал накапливаться кислород, который 2 млрд лет назад достиг концентраций, достаточных для начала аэробного дыхания. К этому времени относятся образования, свойственные облигатно аэробной Metallogenium.

Появление кислорода в атмосфере (кислородная катастрофа) нанесло серьёзный удар по анаэробным бактериям. Они либо вымирают, либо уходят в локально сохранившиеся бескислородные зоны. Общее видовое разнообразие бактерий в это время сокращается.

Предполагается, что из-за отсутствия полового процесса, эволюция бактерий идёт по совершенно иному механизму, нежели у эукариот. Постоянный горизонтальный перенос генов приводит к неоднозначностям в картине эволюционных связей, эволюция протекает крайне медленно (а, возможно, с появлением эукариот и вовсе прекратилась), зато в изменяющихся условиях происходит быстрое перераспределение генов между клетками при неизменном общем генетическом пуле.

Систематика бактерий.

Роль бактерий в природе и в жизни человека.

Бактерии играют важную роль на Земле. Они принимают самое активное участие в круговороте веществ в природе. Все органические соединения и значительная часть неорганических подвергаются с помощью бактерий существенным изменениям. Эта их роль в природе имеет глобальное значение. Появившись на Земле раньше всех организмов (более 3,5 млрд лет назад), они создали живую оболочку Земли и продолжают активно перерабатывать живое и мертвое органическое вещество, вовлекая продукты своего обмена в круговорот веществ. Круговорот веществ в природе является основой существования жизни на Земле.

Распад всех растительных и животных остатков и образование перегноя и гумуса тоже производится в основном бактериями. Бактерии – мощный биотический фактор в природе.

Огромное значение имеет почвообразовательная работа бактерий. Первая почва на нашей планете была создана бактериями. Однако и в наше время состояние и качество почвы зависят от функционирования почвенных бактерий. Особенно важны для плодородия почвы так называемые азотфиксирующие клубеньковые бактерии-симбионты бобовых растений. Они насыщают почву ценными азотными соединениями.

Бактерии очищают грязные сточные воды, расщепляя органические вещества и превращая их в безвредные неорганические. Это свойство бактерий широко используется в работе очистных сооружений.

Во многих случаях бактерии могут быть и вредны для человека. Так, сапротрофные бактерии портят пищевые продукты. Чтобы уберечь продукты от порчи, их подвергают специальной обработке (кипячение, стерилизация, замораживание, высушивание, химическая очистка и т. д.). Если этого не делать, могут произойти пищевые отравления.

Среди бактерий имеется много болезнетворных (патогенных) видов, вызывающих заболевания у людей, животных или растений. Тяжелое заболевание брюшной тиф вызывает бактерия сальмонелла, дизентерию – бактерия шигелла. Болезнетворные бактерии разносятся по воздуху с капельками слюны больного человека при чихании, кашле и даже при обычном разговоре (дифтерия, коклюш). Некоторые болезнетворные бактерии очень устойчивы к высыханию и долго сохраняются в пыли (туберкулезная палочка). В пыли и почве живут бактерии рода клостридиум – возбудители газовой гангрены и столбняка. Некоторые бактериальные заболевания передаются при физическом контакте с больным человеком (венерические болезни, проказа). Часто болезнетворные бактерии передаются человеку с помощью так называемых переносчиков. Например, мухи, ползая по нечистотам, собирают на своих лапках тысячи болезнетворных бактерий, а затем оставляют их на продуктах, потребляемых человеком.

Бактерии - это очень маленькие, невероятно древние и в какой-то степени довольно простые микроорганизмы. Согласно современной классификации их выделили в отдельный домен организмов, что говорит о значительном отличии бактерий от прочих форм жизни.

Бактерии являются самыми распространенными и соответственно самыми многочисленными живыми организмами, они без преувеличения вездесущи и прекрасно себя чувствуют в любой среде: воде, воздухе, земле, а также внутри других организмов. Так в одной капле воды их количество может достигать нескольких миллионов, а в теле человека их примерно в десятеро больше, чем всех наших клеток.

Кто такие бактерии?

Это микроскопические, преимущественно одноклеточные организмы, главным отличием которых является отсутствие клеточного ядра. Основа клетки, цитоплазма содержит в себе рибосомы и нуклеоид, выступающий генетическим материалом бактерий. От внешнего мира все это отделяет цитоплазматическая мембрана или плазмалемма, которая в свою очередь покрыта клеточной стенкой и более плотной капсулой. У некоторых типов бактерий есть внешние жгутики, их количество и размеры могут сильно отличаться, но предназначение всегда одинаковое - с их помощью бактерии передвигаются.

Структура и содержимое бактериальной клетки

Какими бывают бактерии?

Формы и размеры

Формы у различных типов бактерий весьма вариативны: они могут быть округлыми, палочковидными, извитыми, звёздчатыми, тетраэдрическими, кубическими, C- или O-образными, а также неправильными.

Размерами бактерии разнятся еще сильнее. Так, Mycoplasma mycoides - малейший вид во всем царстве имеет длину 0,1 - 0,25 микрометров, а самая крупная бактерия Thiomargarita namibiensis достигает 0,75 мм - ее видно даже не вооруженным взглядом. В среднем размеры колеблются от 0,5 до 5 мкм.

Метаболизм или обмен веществ

В вопросах получения энергии и питательных веществ бактерии проявляют чрезвычайное разнообразие. Но в то же время их довольно просто обобщить, разделив на несколько групп.

По способу получения питательных веществ (углеродов) бактерии делятся на:

• автотрофы - организмы, способные самостоятельно синтезировать все необходимые им для жизнедеятельности органические вещества;
• гетеротрофы - организмы, способные трансформировать только уже готовые органические соединения, и поэтому нуждающиеся в помощи других организмов, которые бы им эти вещества вырабатывали.

По способу получения энергии:

• фототрофы - организмы, вырабатывающие необходимую энергию в результате фотосинтеза
• хемотрофы - организмы, вырабатывающие энергию путем проведения различных химических реакций.

Как размножаются бактерии?

Рост и размножение у бактерий тесно связаны. Достигнув определенного размера, они начинают размножаться. У большинства видов бактерий этот процесс может протекать чрезвычайно быстро. Деление клеток, например, может проходить быстрее 10 минут, при этом количество новых бактерий будет расти в геометрической прогрессии, поскольку каждый новый организм будет делится на два.

Выделяют 3 различных типа размножения:

• деление - одна бактерия делится на две абсолютно генетически идентичные.
• почкование - на полюсах материнской бактерии формируется одна или несколько почек (до 4-х), при этом материнская клетка стареет и умирает.
• примитивный половой процесс - часть ДНК родительских клеток переносится в дочернюю, при этом появляется бактерия с принципиально новым набором генов.

Первый тип наиболее распространенный и быстрый, последний - невероятно важный, причем не только для бактерий, но и для всей жизни в целом.

Всем известно, что бактерии самый древний вид живых существ, которые заселяют нашу планету. Первые бактерии были самыми примитивными, но с тем как менялась наша земля, изменились и бактерии. Они присутствуют везде, в воде, на суше, в воздухе, которым мы дышим, в продуктах, растениях. Как и люди бактерии могут быть хорошими и плохими.

Полезные бактерии - это:

• Молочнокислые или лактобактерии . Одними из таких хороших бактерий является кисломолочная бактерия. Это палочковидный вид бактерий, обитающий в молочных и кисломолочных продуктах питания. Также эти бактерии населяют полость рта человека, его кишечник, влагалище. Главная польза этих бактерий в том, что они образовывают молочную кислоту в качестве брожения, благодаря чему мы из молока получаем йогурт, кефир, ряженку, кроме того эти продукты очень полезны для человека. В кишечники они играют роль очистителей среды кишечника от плохих бактерий.
• Бифидобактерии . Бифидобактерии находятся в основном в желудочно-кишечном тракте, как и молочнокислые способны вырабатывать молочную кислоту и уксусную кислоту, благодаря чему эти бактерии контролируют рост патогенных бактерий, регулируя тем самым уровень pH в нашем кишечнике. Различные разновидности бифидобактерий помогают избавиться от запоров, диареи, грибковых инфекций.
• Кишечная палочка . Микрофлора кишечника человека состоит из большинства микробов группы кишечная палочка. Они способствуют хорошему пищеварению, а так же участвуют в некоторых клеточных процессах. Но некоторые разновидности этой палочки могут вызвать отравление, диарею, почечную недостаточность.
• Стрептомицеты . Среда обитания стрептомицетов вода, разлагающиеся соединения, почва. Поэтому особенно они полезны для экологии, т.к. с ними осуществляются многие процессы распада и соединений. Кроме того некоторые из этик бактерий применяют в производстве антибиотиков и противогрибковых лекарств.

Вредные бактерии - это:

• Стрептококки . Цепочковидные бактерии, которые попадая в организм являются возбудителями многих болезней, таких как ангина, бронхит, отит и другие.
• Палочка чумы . Палочковидня бактерия, обитающая в мелких грызунах, вызывает такие страшные болезни как чума или пневмония. Чума это страшная болезнь, которая может уничтожить целые страны, и сравнивается она с биологическим оружием.
• Хеликобактер пилори . Место обитания хеликобактер пилори желудок человека, но у некоторых людей наличие этих бактерий вызывают гастрит и язву.
• Стафилококки . Название стафилококк произошло от того, что по форме клетки напоминают гроздь винограда. Для человека эти бактерии несут тяжелые заболевания с интоксикацией и гнойными образованиями. Какими страшными бы не были бактерии, человечество научилось выживать среди них благодаря вакцинации.

Строение

Бактерии - очень мелкие живые организмы. Их можно видеть только под микроскопом с очень сильным увеличением. Все бактерии одноклеточные. Внутреннее строение клетки бактерий не похоже на клетки растений и животных. У них нет ни ядра, ни пластид. Ядерное вещество и пигменты имеются, но в "распыленном" состоянии. Форма разнообразна.

Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой – клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи – капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула – не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.

На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.

Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, - нуклеиновая кислота – ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.

Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.

Образование спор

Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий. Споры – не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях. Споры у бактерий служат для перенесения неблагоприятных условий. Они образуются из внутренней части содержимого клетки. При этом вокруг споры формируется новая, более плотная оболочка. Споры могут переносить очень низкие температуры (до - 273 °С) и очень высокие. Споры не погибают при кипячении воды.

Питание

Многие бактерии имеют хлорофилл и другие пигменты. Они осуществляют фотосинтез, подобно растениям (цианобактерии, пурпурные бактерии). Другие бактерии получают энергию из неорганических веществ - серы, соединений железа и других, но источник углерода, как и при фотосинтезе, - углекислый газ.

Размножение

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее. После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес – 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.

Роль бактерий в природе. Распространение и экология

Бактерии распространены повсеместно: в водоемах, воздухе, почве. В воздухе их меньше всего (но не в местах скопления людей). В водах рек их может быть до 400 000 в 1 см 3 , а в почве - до 1 000 000 000 в 1 г. Бактерии по-разному относятся к кислороду: для одних он необходим, для других губителен. Для большинства бактерий наиболее благоприятны температуры между +4 и +40 °С. Прямой солнечный свет вызывает гибель многих бактерий.

Встречаясь в огромном количестве (число их видов достигает 2500), бактерии играют исключительно важную роль во многих природных процессах. Вместе с грибами и почвенными беспозвоночными животными они участвуют в процессах разложения растительных остатков (опадающие листья, ветки и т.п.) до перегноя. Деятельность сапрофитных бактерий приводит к образованию минеральных солей, которые усваиваются корнями растений. Клубеньковые бактерии, живущие в тканях корней мотыльковых, а также некоторые свободноживущие бактерии обладают замечательной способностью усваивать атмосферный азот, недоступный для растений. Таким образом, бактерии участвуют в круговороте веществ в природе.

Микрофлора почвы. Количество бактерий в почве чрезвычайно велико – сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв. На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков. Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора – один из факторов образования почв. Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, - ризосферной микрофлорой.

Микрофлора водоёмов. Вода – природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается. Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая – 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные. По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.

Микрофлора воздуха. Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий, которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.

Микрофлора организма человека. Тело человека, даже полностью здорового, всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками – прекрасная среда для развития микроорганизмов. Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном шаре. Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце, печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы попадают только во время болезни.

Значение бактерий в жизни человека

Большое значение имеют процессы брожения; так называют в основном разложение углеводов. Так, в результате брожения молоко превращается в кефир и другие продукты; силосование кормов - тоже брожение. Брожение происходит и в кишечнике человека. Без соответствующих бактерий (например, кишечной палочки) кишечник нормально не может функционировать. Гниение, полезное в природе, крайне нежелательно в быту (например, порча мясных продуктов). Не всегда полезно и брожение (например, скисание молока). Чтобы продукты не портились, их солят, сушат, консервируют, держат в холодильниках. Таким образом снижают деятельность бактерий.

Патогенные бактерии