Направление в науке под названием микробиология занимается изучением строения, размножения, классификации и систематики микроорганизмов. Бактерий на Земле очень много. Ученые-микробиологи выделяют до десяти тысяч видов прокариотов. Они совсем разные, отличаются свойствами, особенностями питания, строением. Одни используются в промышленности, другие необходимы для поддержания дыхания растений, третьи обитают внутри человека, обеспечивая правильное функционирование систем и органов. Есть микроорганизмы, способные выдерживать очень сильную радиацию, а есть те, что гибнут при низких температурах.
Большинство бактерий, их строение и размножение изучается микробиологами, относится к одноклеточным прокариотам. Только несколько видов состоят из двух и больше клеток. По форме микроорганизмы могут быть:
- круглыми;
- в виде палочек;
- извитыми;
- звездочкообразными;
- кубическими.
Основные составляющие прокариотов:
- не имеет различий с мембраной в клетках эукариотов.
- Мезосома. С ее помощью прикрепляется наследственный материал.
- Нуклеотид – не до конца сформированное ядро прокариотов, в котором содержатся хромосомы.
- Рибосомы – немембранные органоиды, которые занимают до 40% клетки.
Вместо ядра в клетки бактерий есть нуклеотид. Это молекула, которая отвечает за перенос генетической информации, включает в себя также плазмиды. Одноклеточные микроорганизмы не имеют в своем составе таких мембранных органоидов, как аппарат Гольджи, митохондрии.
Метаболизм бактерий
В клетках бактерий, как и других организмов, должен осуществляться синтез белков, липидов и углеродов. Метаболизм одноклеточных организмов, как и их строение, отличается от процессов, протекающих в клетках эукариотов. Выделяют автотрофы и гетеротрофы. Первые из них способны синтезировать необходимые для нормальной жизнедеятельности вещества из неорганических соединений. Гетеротрофы только трансформируют органические вещества.
- Брожение – реакция, в результате которой образовываются специальные молекулы. Их значение в том, что они переносят остатки фосфорной кислоты на АДФ.
- Дыхание – процесс, в результате которого синтезируется АТФ. Если эукариотические клетки используют для дыхания кислород, то прокариотические могут дышать за счет минеральных или органических соединений.
- Фотосинтез микроорганизмов может осуществляться с участием кислорода или без него. Вместо кислорода некоторые бактерии используют для фотосинтеза бактериохлорофилл, что обусловлено их строением.
Бактерии, которые могут осуществлять фотосинтез только бескислородным способом, лишены фотосистемы. Совсем недавно ученые выделили группу микроорганизмов, которые получают необходимую для нормальной жизнедеятельности энергию из реакций, в которых применяется водород.
Как микроорганизмы передают наследственный материал
Есть три основных способа, которыми бактерии передают наследственный материал. Они зависят от строения прокариотов.
- Трансформация. Это когда доноры бактерий передают их наследственную информацию непосредственно реципиентам.
- Трансдукция – процесс передачи наследственного материала от бактерии-донора бактерии-реципиенту посредством фагов.
- Конъюгация. Это когда генетическая информация передается од одной бактерии другой при их непосредственном контакте.
Большинство микроорганизмов из числа , а при помощи почкования или деления. Есть разница в том, как размножаются грамположительные и грамотрицательные микроорганизмы, что обусловлено особенностями строения. Для простейших организмов характерно и половое размножение, но только в самой примитивной форме. Их клетки даже не сливаются. Обмен наследственным материалом происходит в процессе генетической рекомбинации.
В результате слияния двух донорских клеток образуется одна клетка, которая содержит генетическую информацию их обеих. В результате смещения генов происходит образование качественно нового одноклеточного организма, что необходимо для нормального протекания их эволюции.
Генетический аппарат
За систематику микроорганизмов, их специфичность как вида, функции отвечают гены. В клетках прокариотов гены располагаются в хромосоме, единственной замкнутой молекуле ДНК. Благодаря специфическому строению бактерий в их клетке сопряжены процессы трансляции и транскрипции. МРНК, которая только синтезировалась, сразу же связывается с рибосомами, так как область, где располагается хромосома, не окружена мембраной.
Носителем генетической информации являются также плазмиды. Это замкнутая в кольцо ДНК, содержащая гены, которые проявляются только в специфических условиях.
В бактериях гены переносятся горизонтально. Когда происходит процесс конъюгации, перенос генетической информации происходит непосредственно от донора к реципиенту. В процессе горизонтального переноса не происходит образование новых генов, это характерно для мутации, но имеет место образование генных сочетаний.
Бактерии отличаются от других организмов особенностями строения, размножения, жизнедеятельности. Именно от этого зависит, к какому виду и ряду они будут относиться. Знания из микробиологии необходимы также для того, чтобы иметь возможность определить заболевание, так как есть ряд бактерий, которые вызывают их развитие. Изучение одноклеточных микроорганизмов необходимо, так как их значение в природе и жизни человека невозможно переоценить. Существует очень большое количество разнообразных микроорганизмов, но все они имеют свои отличия и характерные признаки.
Размножение бактерий путем деления — самый распространенный метод увеличения численности микробной популяции. После деления происходит рост бактерий до исходного размера, для чего необходимы определенные вещества (факторы роста).
Способы размножения бактерий различны, но для большинства их видов присуща форма бесполового размножения способом деления. Способом почкования бактерии размножаются исключительно редко. Половое размножение бактерий присутствует в примитивной форме.
Рис. 1. На фото бактериальная клетка в стадии деления.
Генетический аппарат бактерий
Генетический аппарат бактерий представлен единственной ДНК — хромосомой. ДНК замкнута в кольцо. Хромосома локализована в нуклеотиде, не имеющем мембраны. В бактериальной клетке имеются плазмиды.
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.
Рис. 2. На фото бактериальная клетка на срезе. В центральной части виден нуклеотид.
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.
Рис. 3. На фото бактериальная плазмида.
Этапы деления
После достижения определенных размеров, присущих взрослой клетке, запускаются механизмы деления.
Репликация ДНК
Репликация ДНК предшествует клеточному делению. Мезосомы (складки цитоплазматической мембраны) удерживают ДНК до тех пор, пока процесс деления (репликации) не завершится.
Репликация ДНК осуществляется с помощью ферментов ДНК-полимеразами. При репликации водородные связи в 2-х спиральной ДНК разрываются, в результате чего из одной ДНК образуются две дочерние односпиральные. В последующем, когда дочерние ДНК заняли свое место в разделенных дочерних клетках, происходит их восстановление.
Как только репликация ДНК завершилась, в результате синтеза появляется перетяжка, разделяющая клетку пополам. Вначале делению подвергается нуклеотид, затем цитоплазма. Синтез клеточной стенки завершает деление.
Рис. 4. Схема деления бактериальной клетки.
Обмен участками ДНК
У сенной палочки процесс репликации ДНК завершается обменом участками 2-х ДНК.
После деления клетки образуется перемычка, по которой ДНК одной клетки переходит в другую. Далее обе ДНК сплетаются. Некоторые отрезки обоих ДНК слипаются. В местах слипания происходит обмен отрезками ДНК. Одна из ДНК по перемычке уходит обратно в первую клетку.
Рис. 5. Вариант обмена ДНК у сенной палочки.
Типы делений бактериальных клеток
Если клеточное деление опережает процесс разделения, то образуются многоклеточные палочки и кокки.
При синхронном клеточном делении образуются две полноценные дочерние клетки.
Если нуклеотид делится быстрее самой клетки, то образуются многонуклеотидные бактерии.
Способы разделения бактерий
Деление с помощью разламывания
Деление с помощью разламывания характерно для сибиреязвенных бацилл. В результате такого деления клетки переламываются в местах сочленения, разрывая цитоплазматические мостики. Далее отталкиваются друг от друга, образуя цепочки.
Скользящее разделение
При скользящем разделении после деления клетка обосабливается и как бы скользит по поверхности другой клетки. Данный способ разделения характерен для некоторых форм эшерихий.
Секущееся разделение
При секущемся разделении одна из разделившихся клеток свободным концом описывает дугу круга, центром которого является точка ее контакта с другой клеткой, образуя римскую пятерку или клинопись (коринебактерии дифтерии, листерии).
Рис. 6. На фото бактерии палочковидной формы, образующие цепочки (сибиреязвенные палочки).
Рис. 7. На фото скользящий способ разделения кишечных палочек.
Рис. 8. Секущийся способ разделения коринебактерий.
Вид скоплений бактерий после деления
Скопления делящихся клеток имеют разнообразную форму, которая зависит от направления плоскости деления.
Шаровидные бактерии располагаются по одному, по двое (диплококки), пакетами, цепочками или как гроздья винограда. Палочковидные бактерии — цепочками.
Спиралевидные бактерии — хаотично.
Рис. 9. На фото микрококки. Они круглые, гладкие, имеют белую, желтую и красную окраску. В природе микрококки распространены повсеместно. Живут в разных полостях человеческого организма.
Рис. 10. На фото бактерии диплококки — Streptococcus pneumoniae.
Рис. 11. На фото бактерии сарцины. Кокковидные бактерии соединяются в пакеты.
Рис. 12. На фото бактерии стрептококки (от греческого «стрептос» — цепочка). Располагаются цепочками. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 13. На фото бактерии «золотистые» стафилококки. Располагаются, как «гроздья винограда». Скопления имеют золотистую окраску. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.
Рис. 14. На фото извитые бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.
Рис. 15. На фото палочковидные бактерии рода Vibrio.
Скорость деления бактерий
Скорость деления бактерий крайне высока. В среднем одна бактериальная клетка делится каждые 20 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства. Микобактерии туберкулеза делятся медленно. Весь процесс деления занимает у них около 14 часов.
Рис. 16. На фото отображен процесс деления клетки стрептококка.
Половое размножение бактерий
В 1946 году учеными было обнаружено половое размножение в примитивной форме. При этом гаметы (мужские и женские половые клетки) не образуются, однако некоторые клетки обмениваются генетическим материалом (генетическая рекомбинация ).
Передача генов осуществляется в результате конъюгации — однонаправленного переноса части генетической информации в виде плазмид при контакте бактериальных клеток.
Плазмиды представляют собой молекулы ДНК небольшого размера. Они не связаны с геномом хромосом и способны удваиваться автономно. В плазмидах содержаться гены, которые повышают устойчивость бактериальных клеток к неблагоприятным условиям внешней среды. Бактерии часто передают эти гены друг другу. Отмечается так же передача генной информации бактериям другого вида.
При отсутствии истинного полового процесса именно конъюгация играет огромную роль при обмене полезными признаками. Так передается способность бактерий проявлять лекарственную устойчивость. Для человечества особо опасным является передача устойчивости к антибиотикам между болезнетворными популяциями.
Рис. 17. На фото момент конъюгации двух кишечных палочек.
Фазы развития бактериальной популяции
При посевах на питательную среду развитие бактериальной популяции проходит несколько фаз.
Исходная фаза
Исходная фаза — это период от момента посева до их роста. В среднем исходная фаза длится 1 — 2 часа.
Фаза задержки размножения
Это фаза интенсивного роста бактерий. Ее длительность составляет около 2-х часов. Она зависит от возраста культуры, периода приспособления, качества питательной среды и др.
Логарифмическая фаза
В эту фазу отмечается пик скорости размножения и увеличения бактериальной популяции. Ее длительность составляет 5 — 6 часов.
Фаза отрицательного ускорения
В эту фазу отмечается спад скорости размножения, уменьшается количество делящихся и увеличивается число погибших бактерий. Причина отрицательного ускорения — истощение питательной среды. Ее длительность составляет около 2-х часов.
Стационарная фаза максимума
В стационарную фазу отмечается равное количество погибших и вновь образованных особей. Ее длительность составляет около 2-х часов.
Фаза ускорения гибели
В эту фазу прогрессивно нарастает количество погибших клеток. Ее длительность составляет около 3-х часов.
Фаза логарифмической гибели
В эту фазу клетки бактерий отмирают с постоянной скоростью. Ее длительность составляет около 5-и часов.
Фаза уменьшения скорости отмирания
В эту фазу оставшиеся живыми клетки бактерий переходят в состояние покоя.
Рис. 18. На рисунке отображена кривая роста бактериальной популяции.
Рис. 19. На фото колонии синегнойной палочки сине-зеленого цвета, колонии микрококков желтого цвета, колонии Bacterium prodigiosum кроваво-красного цвета и колонии Bacteroides niger черного цвета.
Рис. 20. На фото колонии бактерий. Каждая колония — потомство одной-единственной клетки. В колонии число клеток исчисляется миллионами. вырастает колония за 1 — 3 суток.
Деление магниточувствительных бактерий
В 1970-х годах были открыты бактерии, обитающие в морях, которые обладали чувством магнетизма. Магнетизм позволяет этим удивительным существам ориентироваться по линиям магнитного поля Земли и находить серу, кислород и другие, так необходимые ей вещества. Их «компас» представлен магнитосомами, которые состоят из магнита. При делении магниточувствительные бактерии делят свой компас. При этом перетяжки при делении становится явно недостаточно, поэтому бактериальная клетка сгибается и делает резкий перелом.
Рис. 21. На фото момент деления магниточувствительной бактерии.
Рост бактерий
Вначале деления бактериальной клетки две молекулы ДНК расходятся в разные концы клетки. Далее клетка делится на две равноценные части, которые отделяются друг от друга и увеличиваются до исходного размера. Скорость деления многих бактерий составляет в среднем 20 — 30 минут. В течение только одних суток одна клетка образует 72 поколения потомства.
Масса клеток в процессе роста и развития быстро поглощает питательные вещества из окружающей среды. Этому способствуют благоприятные факторы внешней среды — температурный режим, достаточное количество питательных веществ, необходимая pH среды. Для клеток аэробов необходим кислород. Для анаэробов он представляет опасность. Однако безграничное размножение бактерий в природе не происходит. Солнечный свет, сухой воздух, недостаток пищи, высокая температура окружающей среды и другие факторы губительно действуют на бактериальную клетку.
Рис. 22. На фото момент деления клетки.
Факторы роста
Для роста бактерий необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезируется самой клеткой, часть поступает из окружающей среды. Потребность в факторах роста у всех бактерий разная.
Потребность в факторах роста является постоянным признаком, что позволяет использовать его для идентификации бактерий, подготовке питательных сред и использовать в биотехнологии.
Факторы роста бактерий (бактериальные витамины) — химические элементы, большинством из которых являются водорастворимые витамины группы В. В эту группу входят так же гемин, холин, пуриновые и пиримидиновые основания и другие аминокислоты. При отсутствии факторов роста наступает бактериостаз.
Бактерии используют факторы роста в минимальных количествах и в неизменном виде. Ряд химических веществ этой группы входят в состав клеточных ферментов.
Рис. 23. На фото момент деления палочковидной бактерии.
Важнейшие бактериальные факторы роста
- Витамин В1 (тиамин) . Принимает участие в углеводном обмене.
- Витамин В2» (рибофлавин) . Принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях.
- Пантотеновая кислота является составной частью кофермента А.
- Витамин В6 (пиридоксин) . Принимает участие в обмене аминокислот.
- Витамины В12 (кобаламины — вещества, содержащие кобальт). Принимают активное участие в синтезе нуклеотидов.
- Фолиевая кислота . Некоторые ее производные входят в состав ферментов, катализирующих процессы синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, а также некоторых аминокислот.
- Биотин . Участвует в азотистом обмене, а также катализирует синтез ненасыщенных жирных кислот.
- Витамин РР (никотиновая кислота). Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, образовании ферментов и обмене липидов и углеводов.
- Витамин Н (парааминобензойная кислота). Является фактором роста многих бактерий, в том числе населяющих кишечник человека. Из парааминобензойной кислоты синтезируется фолиевая кислота.
- Гемин . Является составной частью некоторых ферментов, которые принимают участие в реакциях окислениях.
- Холин . Принимает участие в реакциях синтеза липидов клеточной стенки. Является поставщиком метильной группы при синтезе аминокислот.
- Пуриновые и пиримидиновые основания (аденин, гуанин, ксантин, гипоксантин, цитозин, тимин и урацил). Вещества необходимы главным образом в качестве компонентов нуклеиновых кислот.
- Аминокислоты . Эти вещества являются составляющими белков клетки.
Потребность в факторах роста некоторых бактерий
Ауксотрофы для обеспечения жизнедеятельности нуждаются в поступлении химических веществ из вне. Например, клостридии не способны синтезировать лецитин и тирозин. Стафилококки нуждаются в поступлении лецитина и аргинина. Стрептококки нуждаются в поступлении жирных кислот — компонентов фосфолипидов. Коринебактерии и шигеллы нуждаются в поступлении никотиновой кислоты. Золотистые стафилококки, пневмококки и бруцеллы нуждаются в поступлении витамина В1. Стрептококки и бациллы столбняка — в пантотеновой кислоте.
Прототрофы самостоятельно синтезируют необходимые вещества.
Рис. 24. Разные условия окружающей среды по-разному влияют на рост колоний бактерий. Слева — стабильный рост в виде медленно расширяющегося круга. Справа — быстрый рост в виде «побегов».
Изучение потребности бактерий в факторах роста позволяет ученым получать большую микробную массу, так необходимую при изготовлении антимикробных препаратов, сывороток и вакцин.
Подробно о бактерияx читай в статьях:
Размножение бактерий является механизмом повышения числа микробной популяции. Деление бактерий — основной способ размножения. После деления бактерии должны достигнуть размеров взрослых особей. Рост бактерий происходит путем быстрого поглощения питательных веществ их окружающей среды. Для роста необходимы определенные вещества (факторы роста), часть из которых синтезирует сама бактериальная клетка, часть поступает из окружающей среды.
Изучая рост и размножение бактерий, ученые постоянно открывают полезные свойства микроорганизмов, использование которых в повседневной жизни и на производстве ограничивается только их свойствами.
Микроорганизмы являются значимой частью биосферы планеты и активно участвуют в формировании среды обитания, что связано с присущими им функциями.
Академик Вернадский В.И. выделил девять основных средообразующих функций из общего природного процесса. В течение времени учение о биосфере эволюционировало: количество , описывающих биосферно-геологическое преобразование, изменялось – функции объединялись, их дополняли.
Так, классификация Лапо А.В. (1987 г.) выделяет семь функциональных основ, в которых участвуют микроорганизмы, обеспечивая формирование биосферы:
- энергетическая;
- деструктивная;
- концентрационная;
- газовая;
- средоформирующая;
- восстановительная;
- окислительная.
Перечисленные основные функции присущи всему живому веществу биосферы, и бактериям в частности, они описывают процесс энергообмена как одну из сторон непрерывного круговорота в природе энергии и вещества.
Энергетическая функция микроорганизмов
Само возникновение и эволюционирование биосферы планеты, куда входят вирусы, бактерии, грибы, растения и животные, невозможно без притока энергии, учитывая, что внутренних энергетических источников нет.
Основным энергетическим источником для биосферы планеты является Солнце. При этом лишь 1% электромагнитной лучистой энергии усваивается и сохраняется , а 99% поглощаются гидро-, лито- и атмосферами.
Первоначальное создание биосферы и ее дальнейшее развитие произошло благодаря фотосинтезу – превращению простейших неорганических соединений (вода, минеральные вещества, углекислый газ) в сложные органические вещества. Процесс протекает при наличии поглощающих свет ферментов и поглощает солнечную энергию.
Известно два типа фотосинтеза прокариотов:
- кислородный (цианобактерии и прохлорофиты);
- бескислородный (пурпурные, зеленые и гелиобактерии).
Бактерии могут синтезировать сложную органику, используя другие энергетические источники, а не только энергию Солнца (фотосинтез). Существуют группы микроорганизмов, способные использовать энергию, которая выделяется в результате окисления ими серных и азотных соединений (хемосинтез).
Связанная в виде органических веществ энергия, полученная фото- и хемосинтезом, распределяется внутри экосистемы между всеми ее участниками как пища.
Морские растения и живые организмы активно концентрируют вещества, растворенные в морской воде, используя их для формирования покровов или строения скелетов.
Можно выделить две основные группы концентраторов по химическому признаку:
- накопители Са (характерно для иглокожих, кораллов, моллюсков и известковых водорослей);
- концентраторы Si (характерно для кремниевых губок, радиолярий и диатомовых водорослей).
Характерной чертой морских организмов является способность накапливать тяжелые металлы (в том числе токсичные – ртуть Hg, мышьяк As, свинец Pb) и элементы с высокой радиоактивностью.
Таким образом, являясь прекрасным источником микроэлементов, как пищевой продукт морские организмы могут быть опасны в связи с возможной высокой токсичностью или радиоактивностью.
Средообразующая функция живого вещества
Живое вещество биосферы выполняет одну из главных функций – средообразующую, изменяя параметры среды обитания на максимально благоприятные для жизнедеятельности. В случае сдвига равновесия экосистемы в результате внешнего воздействия живое вещество стремится восстановить первоначальные характеристики среды обитания. Эту способность экосистемы описывает принцип Ле Шателье:
в ответ на внешние возмущения любая система проводит изменение переменных в сторону компенсации возмущения.
Биосфера, по своей сути, является не статической, а динамической системой. И если возмущения не переходят пороговых значений, природа способна скомпенсировать воздействие и вернуться в первоначальное состояние.
Газовые функции живого вещества
Живые организмы участвуют в движении и превращениях газов планеты.
Газовые функции различаются в зависимости от участвующих в процессах газах:
- диоксидуглеродно-кислородная – носителем функции являются растения и бактерии, происходит создание свободного кислорода;
- диоксидуглеродно-бескислородная – носителем функции являются все животные, растения, грибы и бактерии; происходит образование биогенной угольной кислоты;
- озонная (пероксидводородная) – носителя нет, над планетой сформирован защитный озоновый слой, предохраняющий от жесткой космической радиации;
- азотная – носителем являются азотовыделяющие бактерии, происходит формирование свободного азота, как в гидро-, так и в литосферах;
- углеводородная – превращение биогенных газов (природный газ, терпены и другие).
Окислительная и восстановительная функции в экосистемах
Окислительная функция представляет собой окисление под воздействием бактерий (реже – грибов) веществ, содержащихся в почвах бедных кислородом, коры выветривания (результат разрушения горных пород под воздействием физико-химического воздействия) и гидросфере.
Подобным образом формируются в природе ожелезненные горизонты, железные руды, залегающие в болотах и другие.
Противоположной окислительной является восстановительная функция. Примером может служить образование оксидных форм железа под действием анаэробных микроорганизмов, в условиях крайне незначительного содержания кислорода.
Функции бактерий очень широки, ведь они являются первыми жителями планеты и количественно превосходят все остальные живые организмы.
Используя критерием оценки отношение к человеку, бактерии и их функции можно разделить на 3 группы:
- полезные;
- вредные;
- нейтральные.
Полезные человеку бактерии
Полезные для человека бактерии можно разделить на 2 группы:
- бактерии, полезные организму человека;
- бактерии, полезные для деятельности человека.
Функции бактерий в организме
Нормофлора организма человека представлена бифидобактериями, лактобактериями и колибактериями. Группы бактерий в кишечнике у каждого человека представлены уникальными штаммами, пропорции и количество также строго индивидуальны.
Микрофлора кишечника человека и функции различных групп микроорганизмов изучены достаточно полно.
Функции бифидобактерии:
- осуществляют расщепление непереваренных частиц, попавших в толстую кишку;
- участвуют в расщеплении казеина молока у маленьких детей;
- участвуют в метаболических процессах желчных пигментов и кислот.
Функции лактобактерий:
- ответственны за выделение ферментов;
- участвуют в ферментативном расщеплении сложных углеводов, белков и жиров;
- стимулируют лимфоидные ткани, что способствует активизации врожденных иммунных ответов и реакций;
- стимулируют выработку интерферона;
- активизируют клеточные защитные механизмы.
Функции колибактерий:
- участвуют в обменных процессах;
- создают благоприятные условия для жизнедеятельности в кишечнике лакто- и бифидобактерий;
- подавляют развитие патогенных микроорганизмов кишечника;
- осуществляют выработку витамина В 12 .
Основные причины нарушения функций микрофлоры кишечника:
- употребление антибиотиков;
- гормональная терапия;
- высокие физические нагрузки, стресс;
- плохая экология;
- несбалансированное питание и безграмотное голодание;
- переедание, употребление фастфудов;
- возрастные изменения.
Полезные для человека свойства бактерий
Микроорганизмы рода Rhizobium способны связывать азот, содержащийся в воздухе, и обеспечивают им бобовые растения, которые взамен обеспечивают клубеньковые бактерии питательными веществами.
Rhizobium на 1 га почвы вносят до 70 кг азота, их функция настолько полезна, что на их основе изготавливают бактериальное удобрение (нитрагин), чтобы увеличить их количество в почве.
Вредные функции бактерий
Если одни группы бактерий приносят пользу и положительно влияют на здоровье человека, то другие оказывают отрицательное воздействие:
- являются болезнетворными для человека (оспа, чума, сифилис, холера, туберкулез и другие);
- наносят вред продуктам питания (гнилостные бактерии портят рыбу, мясо, овощи, фрукты);
- портят продукты длительного хранения (ботулизм);
- вызывают болезни скота и птицы (сибирская язва, ящур, пастереллез, птичий грипп и другое).
Бактерии. Строение
Бактерии являются примитивными одноклеточными организмами, их клетка имеет микроскопические размеры. Но вирусы меньше бактерий от 10 до 100 раз.
Для бактерий характерно наличие клеточной стенки – плотной оболочки, сохраняющей форму. С ней имеет прочную связь , представляющая собой слизистую структуру (толщина более 0,2 мкм) с четкими границами. Прочность и надежность строения клеточных стенок обеспечивает муреин, который характерен только для бактерий и не встречается ни в клетках грибов, растений или животных, ни у вирусов.
Бактериальная капсула сформирована из полисахаридов или полипептидов и включает в себя до 98% воды. Высокое содержание воды определяет функцию капсулы – она предохраняет микроорганизм от травматических повреждений и пересыхания, препятствует фагоцитозу, обеспечивает дополнительный осмотический барьер и служит резервным источником веществ.
Мезосомы являются мембранной структурой бактерий и выполняют функции генерации энергии, а также структурную функцию пространственного разграничения содержимого клетки, где мезосомы создают благоприятные условия для протекания ферментативных процессов. Как показали исследования, функция мезосом далеко не полностью выяснена.
Еще одной особенностью строения бактерий является наличие плазмид. Они представляют собой небольшие молекулы ДНК, не связанные с геномной хромосомой. Плазмиды содержат ген, усиливающий устойчивость к негативным условиям, в одной клетке может быть до тысяч единиц.
Основные функции плазмид:
- горизонтальный перенос генетического материала
- обеспечение устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам, УФ-излучению;
- синтез гемолизинов и энтеротоксинов и другое.
Как один из методов пережить неблагоприятный период – возможность бактерий образовывать споры.
Хотя термин «споры» применим и к другим живым организмам, функционально это совершенно различные понятия:
- бактериальная спора является формой существования самой бактерии в неблагоприятный период;
- споры грибов или растений являются одним из способов размножения.
Строение вируса вообще сильно отличается от всего остального живого вещества планеты: недаром ученые до сих пор не решили, следует относить вирусы к живой или неживой природе. Ведь вирусы не имеют клеточной оболочки и способны существовать только внутри чужих клеток, захватывая и разрушая их.
Рис. 2.5. Строение обобщенной палочковидной бактерии (типичной прокариотической клетки). Число субклеточных структур у таких бактерий значительно меньше, чем в эукариотической клетке.
Рис. 2.6. А. Строение Escherichia coli . E. coli представляет собой палочковидную бактерию, обитающую в кишечнике позвоночных. Б. Окрашенные метки; вид в световом микроскопе при большом увеличении (x 1000). В. Микрофотография Е. coli , полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Г. Микрофотография среза клетки Е. coli в процессе деления, полученная с помощью просвечивающего (трансмиссионного) электронного микроскопа (х 50 000). В светлых участках находится ДНК. Область, содержащую ДНК, часто называют нуклеоидом.
На рис. 2.5 показано строение обобщенной – типичной прокариотической клетки. На рис. 2.6, А–Г изображена широко известная палочковидная бактерия Escherichia coli . Обычно она совершенно безвредна. Ее наличие в воде может использоваться в качестве очень надежного показателя загрязнения воды фекалиями. Из всех бактерий Е. Coli изучена лучше всего. Кроме того, это одна из бактерий, генетическая карта которых установлена полностью. Обратите внимание, что у Е. Coli намного меньше видимых внутриклеточных структур, чем в эукариотической клетке (рис. 5.10 и 5.11). На рис. 2.7 показана другая палочковидная бактерия, у которой в отличие от E. coli имеется жгутик.
Рис. 2.7. Микрофотография палочковидной бактерии, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Отчетливо видна форма, меточная стенка, пили и длинные волнистые жгутики (х 28 000). Образец напыляли тяжелым металлом, который непроницаем для электронов. Защищенные участки остались не покрытыми, образуя проницаемые для электронов поля. Приводится негатив фотографии, чтобы поля были черными. Данный метод называют затенением; используется для выявления строения поверхности малых объектов.
Клеточная стенка бактерий – структура довольно прочная и позволяет клетке сохранять свою форму; это обусловлено наличием в ней муреина – молекулы, построенной из параллельных полисахаридных цепей, перекрестно связанных через регулярные интервалы короткими цепями аминокислот. Таким образом, каждая клетка окружена как бы сетчатым мешком, представляющим на деле одну огромную молекулу. Клеточная стенка предохраняет клетку от разрыва при поступлении в нее воды (например, в результате осмоса). Ионы воды и малые молекулы попадают в клетку через мельчайшие поры в клеточной стенке.
Рис. 2.8. Строение клеточной стенки грамположительных (слева) и грамотрицательных (справа) бактерий. При окрашивании бактерий по Граму на этапе обесцвечивания у грамотрицательных бактерии краситель легко вымывается из тонкого слоя муреина.
В 1884 г. датский биолог Кристиан Грам разработал метод окрашивания, с помощью которого было установлено, что бактерии подразделяются на две естественные группы, что, как теперь стало известно, обусловлено различиями в строении их клеточной стенки. Одни бактерии, окрашивающиеся по Граму, получили название грамположительных , другие, не окрашивающиеся, – грамотрицательных . Практические упражнения, включающие окрашивание по Граму, описаны в разд. 12.9.2.
У грамположительных бактерий, таких как Staphylococcus , Bacillus и Lactobacillus в муреиновую сетку встроены другие компоненты, в основном полисахариды и , что делает клеточную стенку сравнительно толстой. У грамотрицательных бактерий, таких как Salmonella , E. coli и Azotobacter , клеточная стенка тоньше и имеет более сложное строение (рис. 2.8). Муреиновый слой у этих бактерий снаружи покрыт гладким тонким мембраноподобным слоем и полисахаридов, защищающим клетки от лизоцима – антибактериального , содержащегося в слезах, слюне и других биологических жидкостях, а также в белке куриного яйца. Лизоцим расщепляет полисахаридный каркас муреина, что приводит к продырявливанию клеточной стенки и лизису клетки, т.е. к ее осмотическому набуханию и разрыву. Липидно-полисахаридный слой обусловливает также устойчивость грамотрицательных бактерий к пенициллину. Этот антибиотик блокирует образование перекрестных сшивок в муреине растущих грамположительных бактерий, что делает их клетки более чувствительными к осмотическому шоку.
Плазматическая мембрана, мезосомы и фотосинтетические мембраны
Бактерии - широко распространенная группа микроскопических клеточных организмов. По типу строения бактерии относят к прокариотам. У бактерий отсутствует половое размножение, хотя рекомбинация генетического материала имеет место. Некоторые бактерии образуют скопления клеток. Иногда группа клеток окружена общей слизистой капсулой или чехлом. Бактерии лишены таких органелл, как митохондрии и хлоропласты, но их функцию могут выполнять внутриклеточные мембранные структуры, соединенные с плазматической мембраной.
Размер большинства бактерий составляет 1-10 мкм. Хотя отдельная бактериальная клетка очень мала, тем не менее общая биомасса бактерий превышает биомассу всех остальных живых организмов.
Бактерии характеризуются разнообразием клеточных форм. Прямые палочковидные формы называют бациллами, сферические - кокками, спиралевидные - спириллами. Сферические бактерии после деления могут образовывать пары - диплококки, цепочки - стрептококки или собираться в грозди - стафилококки. Бациллы, как правило, одноклеточные формы, но иногда они образуют цепочки. Плазматическая мембрана бактерий снаружи одета плотной клеточной стенкой. Она выполняет защитную и некоторые другие функции, придает клетке характерную для нее форму.
Специфическим структурным компонентом клеточной стенки бактерий является полимерное соединение -муреин. Клеточная стенка проницаема, через нее питательные вещества проходят в цитоплазму, а конечные продукты обмена выходят в окружающую среду. Клеточная стенка многих бактерий снаружи окружена слоем слизистого материала - капсулой. Она формируется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Капсула, в частности, предохраняет клетку от высыхания. По химическому составу капсулы являются полисахаридами, иногда они содержат белки.
В клетках запасаются различные вещества: гликоген, волютин, капельки серы. Бактериальная хромосома (нуклеод) - иная форма организации генетического материала, чем клеточное ядро эукариот. Единственная, замкнутая в кольцо молекула ДНК связана с небольшим количеством белков, которые придают ей компактную структуру, и постоянно прикреплена к плазматической мембране. Некоторые бактерии являются подвижными формами. Органеллами движения бактерий служат жгутики, которых может быть один или несколько. Жгутик бактерий принципиально отличается от жгутиков эукариот - он представляет собой жесткую белковую спираль. Основание жгутика, вместе с особыми структурами в клеточной стенке и плазматической мембране, образуют молекулярный мотор, вращающийся со скоростью несколько тысяч об/мин и аналогичный винту корабля или самолетному пропеллеру.
Обмен веществ и энергии, потребности в материалах для построения клеточного тела у бактерий очень разнообразны. По способу углеродного питания они делятся на две группы - автотрофов и гетеротрофов. Большинство бактерий являются гетеротрофами - потребителями готового органического вещества. Некоторые из них нуждаются в сложном наборе углеводов, аминокислот, витаминов, у других потребности более ограничены. Энергию они получают при окислении органических веществ в процессе дыхания или брожения. Автотрофные бактерии самостоятельно синтезируют органические вещества из С02. Одни из них получают энергию, окисляя неорганические вещества, в частности молекулярный водород, сероводород, аммиак и записное железо. Этот процесс называется литотрофией, или хемосинтезом. Хемотрофные бактерии используют в качестве пигментов один или несколько бактериохлорофиллов и никогда не содержат хлорофилла А или фикобилип-ротеидов. Другие фототрофные бактерии, к числу которых относятся цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии, зависят от энергии света. Цианобактерии, как и пластиды эукариот, используют воду как источник электронов при фотосинтезе и выделяют молекулярный кислород (окси-генный фотосинтез). Характерные для них фотопигменты представлены хлорофиллом А и фикобилипротеидами (фи-коцианин и фикоэритрин). В отличие от них пурпурные и зеленые бактерии используют в качестве восстановителя молекулярный водород, серу и ее восстановленные соединения, а также простые органические вещества. При этом типе фотосинтеза не образуется молекулярный кислород (аноксигенный фотосинтез). бактерия природный ресурс пищеварительный
Основной способ размножения бактерий - деление клетки надвое (бинарное деление). При этом плазматическая мембрана и стенка впячиваются и перешнуровывают ее пополам. Впячивание мембраны происходит между точками прикрепления двух дочерних кольцевых молекул ДНК, в результате чего дочерние клетки обеспечиваются копиями материнской хромосомы. Бактерии обладают способностью к образованию эндоспор. Некоторые эндоспоры имеют плотные многослойные оболочки, устойчивы по отношению к агрессивным факторам внешней среды и длительно сохраняют способность к прорастанию.
Половой процесс у бактерий заключается в переносе ДНК от одной клетки к другой с последующей генетической рекомбинацией. Обмен наследственным материалом может происходить путем конъюгации (прямой контакт клеток), трансдукции (перенос ДНК вирусом-бактериофагом) или трансформации (поглощение фрагментов ДНК извне). Однако универсальным источником изменчивости являются мутации. В сочетании с темпом размножения бактерий они обеспечивают этим организмам высокую способность к адаптации к условиям внешней среды.
Различные виды бактерий могут использовать в качестве источника энергии почти любые органические соединения - не только питательные вещества, как сахара, аминокислоты и жиры, но и продукты выделения, например мочевину и мочевую кислоту, содержащиеся в моче, и вещества, входящие в состав экскрементов. Один из видов бактерий может использовать в качестве питательного субстрата даже пенициллин, убивающий многие бактерии.