Хто вони – бактерії?

Зміст

  • Класифікація мікроорганізмів
  • Будова бактеріальних організмів
  • Архебактерії – жителі екстремальних зон
  • Особливості генетичного апарату прокаріот
  • Способи живлення
  • Корисні організми

Всі живі організми нашої планети діляться на два домена залежно від наявності у них справжнього оформленого ядра. Ядерні клітини і організми, які з них складаються, називаються еукаріотами, а ті, у яких немає ядра, – прокариотами. Бактерії являють собою одне з двох царств прокаріотів, яке ще називають еубактеріі. Описано таких організмів близько десяти тисяч видів, і більшість з них одноклітинні.

Друге царство являють собою археї, або архебактерии. До кінця сімдесятих років минулого століття ці терміни були синонімами. Тільки в 1977 році молекулярні біологи виявили суттєві відмінності в будові і життєдіяльності бактерій і архей, і ці домени розділили.

Людина дуже давно використовує бродіння у бактерій, не замислюючись, що являє собою цей процес. Однак самі бактерії були виявлені відносно недавно. Термін був введений в науковий лексикон Крістіаном Еренберга в 1828 році, а першим, хто їх побачив за допомогою мікроскопа, був Антоні ван Левенгук. Вивченню бактерій присвятив своє життя Луї Пастер. Саме він зміг дати відповідь на питання, пов’язані із захистом людини від інфекцій. Проте повною мірою дати відповідь, що являють собою бактерії як форми життя і як відбувається процес обміну речовин у цих організмів, вчені змогли тільки після появи методів молекулярної біології.

Класифікація мікроорганізмів
Бактерії мод мікроскопом

Враховуючи, що бактерії найчастіше являють собою одноклітинні і тільки іноді – колоніальні організми, їх класифікація тривалий час перебувала в зародковому стані. Те, що можна було побачити під мікроскопом, дозволило розділити їх за формою, поведінці при фарбуванні, способом живлення, кольором. Однак така класифікація, по суті, була тільки створенням каталогу і не давала уявлення про те, що являє собою походження бактерій. Поява молекулярно-біологічних методів дослідження дозволило знайти відповідь на питання про те, що являла собою їх еволюція.

Процес роботи над вивченням складу і будови бактерій дозволив з’ясувати, що генетичний апарат всіх прокаріот (бактерій і архей) представлений молекулами ДНК. Вивчення особливостей метаболізму, складу клітинних стінок, ферментів дозволило створити класифікацію, яка пов’язувала весь бактеріальний світ в єдину струнку систему і дозволяла судити про родинні зв’язки видів.
Будова бактеріальних організмів
Основні форми бактеріальних клітин

За винятком нитчастих цианей і актиноміцетів, які мають колоніальні форми життя, всі бактерії – одноклітинні організми. Їх форма відрізняється різноманіттям – описані кулясті коки, паличкоподібні бацили і клостридії, покручені (вібріони і спірохети). Більш рідкісні варіанти являють собою організми у формі зірок, тетраедрів, кілець або схожі своєю формою на букву С.

Від форми і жорсткості клітинних стінок залежить спосіб харчування і прикріплення. Цікавим є той факт, що у разі малої кількості поживних речовин у навколишньому середовищі, бактерії здатні збільшувати площу своєї поверхні для збільшення всмоктуючої здатності за рахунок утворення випинань, званих простекі.

Структура бактеріальної клітини являє собою:

нуклеоїд (так називається генетичний апарат бактерій і архей, представлений молекулою ДНК);
клітинну стінку, відокремлену від цитоплазми мембраною;
рибосоми, продукують білок з амінокислот, використовуючи як матрицю РНК.
Клітинна стінка часто буває оточена капсулою зі слизу. Мембрана бере участь в утворенні джгутиків і вій, за допомогою яких бактерії рухаються. Рецептори, що пронизують клітинну стінку, взаємодіють з імунними клітинами і антитілами вищих організмів і формують у них специфічний і неспецифічний імунну відповідь.

Відмінною рисою бактерій є той факт, що їх генетичний апарат представлений кільцевою молекулою ДНК. Ядерне речовина вільно розташовується в цитоплазмі. Це відрізняє прокариотические організми від еукаріот, що мають оформлене ядро, оточене мембраною.

Будова бактеріальної клітини

Архебактерії – жителі екстремальних зон
Ці незвичайні одноклітинні організми вперше були виявлені в місцях, непридатних для проживання живих організмів. Як і бактерії, вони являють собою відповідь на питання про те, як починалося життя на нашій планеті. Аналогічно бактеріям, їх генетичний апарат має вигляд кільцевої молекули, і тільки процес відтворення ДНК (транскрипції) і виробництва білка (трансляції) відрізняється від бактеріального, разюче нагадуючи такої у еукаріот.

До 1977 року ці одноклітинні організми відносили до числа бактерій. Біолог-молекулярщиків Карл Воуз, займаючись вивченням мікроорганізмів, які продукують метан, виявив, що структура їх ДНК відрізняється від бактеріальної, а клітинна стінка має у своєму складі унікальні ферменти. Генетичний апарат архей містить унікальні інтрони (послідовності нуклеотидів, що не несуть смислового навантаження, з яких не зчитуються білки), а ініціація (початок) і елонгація (процес подовження білкового ланцюжка) синтезу білка подібні з еукариотическими. Стінки клітин архей утворюють S-шар, основна речовина якого – білок.

Відповідь на питання про причини цих відмінностей вчені знайшли у високотемпературних середовищах проживання. Археї називаються Екстремофіли через схильність селитися в умовах, складних для життя. Як і більшість бактерій, вони являють собою одноклітинні організми. Вони живуть у гарячих джерелах з киплячою водою, здатні підтримувати метаболізм при дуже низьких температурах, лужний, кислотному середовищі, а також в дуже солоних грунтах і водоймах. Ці бактерії не бувають патогенними для людини, тварин або вищих рослин. Вони діляться на групи залежно від місць проживання.

Галофіти. Воліють солоні водойми, виявлені в Мертвому морі, а також у південній частині затоки Сан-Франциско. Їх присутність – відповідь на питання про те, чому солоні водойми часто пофарбовані в яскраві кольори від зеленого до червоного.
Метаногени. Воліють анаеробні умови життя, виробляючи таку речовину, як метан. Є нормальною мікрофлорою кишечника тварин, також можуть селитися в стічних водах або грунті.
Термофіли. Жителі гарячих джерел.
Жителі холодних джерел, льодовиків, виявлені останнім часом. Утворюють до 40% біомаси холодних регіонів, дозволяючи вченим знаходити відповідь на питання про те, як відбувається освоєння живими організмами територій з низькими температурами. До кінця не систематизовані.
Азотфиксирующие. В даний час описаний тільки один вид архей-азотфиксаторов.
Розмноження у цього виду прокаріотів безстатеве. Процес мейозу, що передбачає утворення статевих клітин з половинною генетичним апаратом, що не виявлений. Генетичний апарат архей представлений кільцевими молекулами – нуклеоїдом і плазмідами. Процес фотосинтезу у деяких з них відбувається за участю бактериородопсина замість хлорофілу.

Систематика живих організмів

Особливості генетичного апарату прокаріот
Генетичний апарат бактерій і архей представлений не тільки головною кільцевою молекулою, але і меншими кільцевими утвореннями – плазмидами. Їх виявлення поклало початок генної інженерії як науці, і стало тонким інструментом для маніпуляцій з геномом.

Ядерне речовина у всіх бактерій представлено однією молекулою ДНК, що має вигляд кільця. У їхніх клітинах відсутня ядерна мембрана, та й інших внутрішньоклітинних мембран найчастіше теж немає. Виняток становлять деякі ціаном, у яких виявлені мембранні пухирці, що забезпечують роботу фотосинтетичного апарату.
За час, доки вчені шукали відповідь, ніж представлений генетичний апарат бактерій і як відбувається передача імунітету до вірусної інфекції від одній клітці до цілої колонії, вони виявили в цитоплазмі маленькі кільцеві ДНК. Ці елементи здатні за допомогою ферментних систем розмикатися, включаючи в себе корисні гени, замикатися знову і виробляти процес передачі генів між бактеріальними клітинами під час кон’югації (злипання).

В даний час бактеріальні плазміди зробили доступним процес впровадження корисних генів в геноми рослин або культур, використовуваних для виробництва живильних речовин або ліків.

Способи живлення
Різновиди бактерій

Залежно від того, чи здатні бактерії самостійно синтезувати органічні речовини, їх ділять на дві великі групи.

Автотрофи. Здатні з неорганічних речовин і вуглекислого газу синтезувати цукру, за допомогою фото- або хемосинтезу.
Гетеротрофи. Вимагають для життя готової органіки (наприклад, бродіння). Діляться на сапрофітів, що харчуються мертвими органічними залишками, симбіонтів, що вступають у взаємовигідні союзи з вищими рослинами, і паразитів, що живуть за рахунок організмів-господарів.
Ще одна класифікація заснована на тому, як бактерії організовують окислення субстрату. Розрізняють літотрофние організми, здатні окисляти неорганічні субстрати і органотрофние, для яких можливе тільки окислення органічних речовин.

Корисні організми
Людина вже кілька тисячоліть використовує бродіння як спосіб приготування смачних і корисних страв і напоїв. Розщеплення цукрів з утворенням різних кислот дозволяє зберегти продукти харчування і збагатити їх вітамінами, які виробляють бактерії. Незважаючи на це, відповідь на питання про те, як же відбувається бродіння, був знайдений відносно недавно після відкриття бактерій.

Бродіння являє собою різновид анаеробного (без участі кисню) розкладання органічних речовин, найчастіше – цукрів. Воно здійснюється за допомогою спеціальних ферментів бактерій, здатних окислювати цукру з утворенням енергії. Квашення являє собою різновид бродіння, в результаті якого утворюється молочна кислота, здатна консервувати продукти і робити їх більш м’якими. Крім консервації овочів, застосовується при виробленні шкіри. Добре відомо також бродіння, яке являє собою процес, що відбувається під дією бактерій і власних ферментів рослин, – ферментація.

Залежно від утворюються в результаті речовин розрізняють такі процеси:

спиртове бродіння,
молочнокисле бродіння,
уксуснокислое бродіння,
маслянокислое бродіння.
Продукти харчування зазвичай являють собою результат діяльності культурних штамів бактерій. Їх підтриманням займаються профільні мікробіологічні лабораторії.

Посилання на основну публікацію