Особливості існування бактерій

Зміст

  • Кульки, палички, ланцюжки, зірочки …
  • «Архітектура» бактерій
  • Оболонка бактерій
  • Що всередині?
  • Способи отримання енергії
  • Особливості дихання клітини
  • Чому важливі біотехнології

Першими живими істотами, що з’явилися на нашій планеті, були бактерії. Ці дивовижні організми примудряються існувати, спираючись на можливості однієї-єдиної клітини. У більшості бактерій особливості будови, харчування, розмноження вивчені досить повно, що дозволяє широко використовувати їх у біотехнології.

поява бактерій

Метаболізм одноклітинних і швидкість їх розмноження в десятки тисяч разів вище, ніж у інших живих істот. Їх пристосовність до мінливих зовнішніх умов і здатності до виживання набагато перевищують можливості будь-якого іншого організму в природі. Чому ж бактерії досі не заполонили всю нашу планету? При відсутності природних стримуючих факторів (конкуренція, нестача їжі, особливості розмноження та ін.) Таке цілком могло б статися.

Кульки, палички, ланцюжки, зірочки …
Ні, це не новорічні прикраси, це варіанти зовнішнього вигляду одноклітинних. Морфологічні ознаки (розмір, форма і будова) мікроорганізмів в природі вельми різноманітні. Бактерії поділяються на:

коки (куляста або округла форма);
палички;
спіралі (звита форма);
є зірчасті, кубічні, С-образні і т. д.
форми бактерій

Коки можуть зустрічатися:

поодинокі (мікрококи);
зчеплені по дві клітини (диплококи);
по чотири клітини (тетракоккі);
утворювати ланцюжок послідовно з’єднаних клітин (стрептококи);
приймати форму виноградного грона (стафілококи).
Розміри бактерій варіюються від найменших (бруцели) до середніх (кишкова паличка) і найбільших (бацили). Діаметр коків знаходиться в інтервалі 0,5 -2,5 мкм, палички і спіралі виростають до 0,1-2 мкм (окремі клітини), а їх з’єднання може досягати 10 мкм (паличкоподібні) і 50 мкм (спіралі).

Паличкоподібні форми розрізняють:

За формою кінців:
плоскі (рубані);
півсфери (округлені);
конусоподібні (загострені);
з потовщенням.
2. За характером сполук:

поодинокі клітини;
з’єднані парами;
утворюють ланцюг (стрептобактерій).
Строго кажучи, спіралеподібні форми теж відносять до паличкоподібні. Їх розрізняють по числу і виду завитків:

трохи вигнуті (вібріони);
одиничний завиток або невелика їх кількість (спірили);
більше чотирьох завитків (Бореллі мають 4-12 шт., трепонеми від 14 до 17);
форма схожа на латинську S (лептоспіри).
Різноманітність бактерій у продуктах

Особливості форми визначають властивості клітин – їх рухливість, прикріплення до поверхні, всмоктування харчування. Все це різноманіття відноситься тільки до зовнішнього вигляду клітин.

«Архітектура» бактерій
Будова мікроорганізмів досить просте – єдина клітина, обмежена оболонкою, містить цитоплазму з молекулою ДНК, замкнутої в кільце (нуклеоїд). Як правило, бактерії задовольняються однією клітиною. Але в будь-якому поважаючому себе правилі просто зобов’язані бути виключення. Особливістю нитчастих ціанобактерій і актиноміцет є їх многоклеточное будову. Правда, біологи так і не прийшли до однозначного висновку – чи вважати ці мікроорганізми бактеріями або віднести до царства рослин.

Будова бактеріальної клітини: плазміди

Клітка прокаріотів (без’ядерного організму) в обов’язковому порядку має:

клітинну оболонку (зовнішній захисний шар, буває грампозитивних і грамнегативних типу);
мембрану (тонкий бар’єр між цитоплазмою і стінкою клітини);
цитоплазму (напіврідка середовище, що містить ДНК (нуклеоїд) і молекули РНК (рибосоми).
До додаткових структурам клітини відносять капсули, джгутики, пили, різні включення і суперечки. Капсули широко поширені, тому утворюються, як правило, у відповідь на агресивну зовнішню середу. Спори потрібні, щоб вижити в несприятливих природних умовах. Включення можуть мати функціональне значення або являють собою запас поживних речовин. За допомогою джгутиків клітка одержує можливість переміщатися, а пили допомагають прикріпитися до поверхні.

Оболонка бактерій
Клітинна стінка бере на себе всі механічні та фізіологічні функції, тобто вона відповідає за зовнішню форму, оберігає від механічних пошкоджень, забезпечує транспорт поживних речовин всередину клітини і виведення відходів назовні.

Особливості будови зовнішньої оболонки добре помітні при фарбуванні за методом датського лікаря Грама:

Грампозитивні (тобто утримують барвник) мікроорганізми мають більш товсту оболонку. Їх стінка складається з одного шару, без зовнішньої мембрани, як у грамнегативних.
Грамнегативні не утримують барвник і після промивки залишаються практично безбарвними. Їх клітинна стінка набагато тонше, ніж у грампозитивних, однак вона складається з двох шарів – клітинної оболонки і зовнішньої мембрани.
Будова клітинної стінки грампозитивних і грамнегативних бактерій

Метод поділу клітин на грампозитивні і грамнегативні особливо важливий в медицині і ось чому – велика частина патогенних бактерій, небезпечних для здоров’я, відноситься до грампозитивних. Грамнегативнімікроорганізми відносяться до умовно-патогенних, т. Е. Їх наявність в організмі не обов’язково викличе захворювання (тільки за певних умов).

Що всередині?
Тонким шаром між оболонкою і цитоплазмою розташовується мембрана. Вона відповідає за утримування рідини в клітці, надходження поживних речовин, здійснює синтезування зовнішньої стінки і утворення суперечок. Крім того, саме в мембрані йде процес дихання, фіксація азоту, хемосинтез та інші процеси, необхідні для існування клітини в природі.

Нуклеоїд, він же генофором або бактеріальна хромосома, – це замкнута молекула ДНК, що містить всю інформацію, обов’язкову для виживання клітин. У їх цитоплазмі можуть бути розрізнені фрагменти або додаткова ДНК (плазміди), що несуть корисну, але не обов’язкову інформацію.

Нуклеоїд бактеріальної клітини

Сукупність генів (геном) бактеріальної клітини визначає її властивості і морфологічні ознаки. Прокаріоти зазвичай мають одну замкнуту хромосому, проте є клітини з двома кільцевими хромосомами або однієї кільцевої і великий плазмидой (фрагмент ДНК), т. Е. Мають складний геномом.

Один з найважливіших органоидов бактерій – рибосома. Саме в ній відбувається синтез білка з амінокислот на основі генетичної інформації, записаної в матричної РНК. Ще один компонент прокариотической (без’ядерної) клітини – везикули (пухирці), утворені складками мембрани всередині бактерії. Особливість прокаріот в тому, що всі внутрішні освіти складаються тільки з цитоплазматичної мембрани. Везикули можуть виконувати роль хлоропластів (у фототрофних і нитрифицирующих бактерій) або газових вакуолей для регуляції щільності цитоплазми.

Особливість хімічного складу прокаріот в тому, що 70-80% вмісту клітини становить вода. Якщо виключити рідина, то половину сухого залишку становить білок (50%), а залишився розподіляється наступним чином:

10-20% матеріал оболонки;
10% ліпіди;
10-20% РНК;
3-4% ДНК.
Хімічний склад бактеріальної клітини

До складу клітини входять: вуглець (50%), кисень (20%), азот (14%) і трохи водню (8%). З мінеральних складових присутні фосфор, калій, натрій, сірка, залізо, кальцій, магній і мікроелементи (мідь, цинк, барій, марганець і т. Д.).

Способи отримання енергії
Бактерії здатні отримувати енергію як з органічних, так і з неорганічних речовин. Процес отримання харчування йде по всій поверхні мікроорганізму. Швидкість метаболізму і розмноження прокаріотів дуже висока, особливо в комфортних умовах. Наприклад, звичайні дріжджі, якщо їх не обмежувати, за добу можуть збільшити свою масу в 50 000 разів.

До речі, крім застосування в харчовій промисловості, дріжджі застосовують у біотехнології для виробництва ксиліту (замінник цукру), ферментів, харчових добавок і навіть для очищення водойм від нафтових плям.

Залежно від типу харчування мікроби діляться на:

Автотрофи («самопітающіеся») – клітини, що виробляють органічні сполуки з неоргаников. За енергії, застосовуваної для обміну речовин, їх можна розділити на:
фототрофи – бактерії, що живуть за рахунок сонячної енергії (фотосинтез);
хемотрофи – організми, що одержують енергію від хімічних реакцій окислення, це нитрифицирующие бактерії, серобактерии, железобактерии та ін.
2. Гетеротрофи («інша їжа») – організми, що використовують готові органічні речовини. По використовуваних джерел їжі їх поділяють на:

сапрофіти розкладають відмерлі органічні залишки;
паразити отримують живильні компоненти з живих клітин.
Види бактерій за способом живлення

Фототрофи і хемотрофи, за допомогою енергії сонця і неорганічних речовин, створюють будівельний матеріал для органічних сполук. Паразити існують і розмножуються на живих клітинах, це патогенні та умовно-патогенні бактерії. Саме вони провокують хвороби.

У природі сапрофіти розкладають відмерлі органічні фрагменти за допомогою сапротрофного харчування на неорганічні і найпростіші органічні сполуки. Саме сапрофіти замикають коло, повертаючи в природу живильні компоненти, придатні для подальшого використання іншими організмами.

Останнім часом для характеристики типів харчування все частіше використовують нові терміни «органотрофи» і «літотрофи», і ось чому:

органотрофи – бактерії, що використовують органічні речовини;
літотрофи (грец. «Літос» – камінь) – мікроорганізми, що живуть на мінеральних середовищах.
Проте чітко розділити бактерії по особливостям харчування досить складно – деякі мікроби легко змінюють спосіб отримання енергії, пристосовуючись до природи навколишнього середовища.

Одна з головних умов для розмноження бактерій – певні ферменти, звані чинниками зростання. Початок поділу клітини відбувається під дією особливого ферментативного апарату (відрізка ДНК), що містить інформацію про подвоєння геному. Проте самостійно синтезувати ферменти вони не можуть. Ось чому бактеріям необхідні готові сполуки (вітаміни, амінокислоти для синтезу білка) та інші речовини. Цю особливість бактерій широко застосовують в біохімічних технологіях, регулюючи їх приріст.

Особливості дихання клітини
Кисень мікроорганізми сприймають по-різному:

анаероби чудово обходяться без повітря;
для строгих або облігатних анаеробів наявність молекулярного кисню неприпустимо;
аероби живуть тільки в кисневмісної середовищі.
способи дихання бактерій

Принцип дихання бактерій прямо протилежний нашому. Людина витягає енергію з їжі і направляє її на підтримку життєдіяльності. Бактерії, навпаки, беруть енергію в процесі дихання при біологічному окисленні і застосовують її для обміну речовин.

Мікроорганізмам потрібні різні умови для виживання:

строгим аеробам необхідно 20% кисню;
мікроаерофіли задовольняються меншим відсотком, але кисень їм все одно необхідний;
факультативні анаеробні, до яких відноситься більшість хвороботворних мікробів, спокійно існують в кислородосодержащей середовищі і безкисневому, міняючи типи дихання;
для строгих анаеробів наявність вільного кисню абсолютно неприпустимо.
Процес бродіння або розкладання органіки анаеробами супроводжується викидом енергії. У біотехнологіях широко використовуються багато видів бродіння: спиртове, молочнокисле, олійно-кисле і т. Д. До речі, виділення тепла при гнитті торфу, сіна або бавовни іноді призводить до пожеж. Саме цим пояснюється, чому торфовища можуть самозайматися в жаркий період.

Чому важливі біотехнології
Біотехнологія як наука вивчає можливість використання живих організмів і продуктів їх життєдіяльності для вирішення технологічних завдань. Один з напрямків біологічної технології – генна інженерія, спрямована на вивчення геному та створення штучно вирощених організмів із заздалегідь визначеними властивостями. Нікому не потрібно пояснювати, чому це життєво важливо. Строго кажучи, виведення різних порід худоби або створення нових гібридів рослин – це теж біотехнології, що змінюють геном живого організму.

генна інженерія

Не тільки інженерія, медицина, фармакологія мають приставку «біо». Останнім часом активно розвивається порівняно нова дисципліна – біоінформатика. Завдяки математичним методам і високим технологіям вчені отримують можливість досліджувати геноми живих істот, побудувати об’ємні моделі білка, вивчити стратегію існування та управління складних біологічних систем.

Генна та клітинна інженерія, нанотехнології, різні біотехнології та інші сучасні розділи науки широко використовують особливості одноклітинних, створюючи нові форми життєздатних організмів, здатних допомогти людству в боротьбі за більш комфортне і безпечне існування.

Посилання на основну публікацію