Что такое бактерии и что они делают?
Бактерии - это микроскопические одноклеточные организмы, которые существуют миллионами в любой среде, как внутри, так и вне других организмов.
Некоторые бактерии вредны, но большинство служат полезным целям. Они поддерживают многие формы жизни, как растений, так и животных, и используются в промышленных и медицинских процессах.
Считается, что бактерии были первыми организмами, появившимися на Земле около 4 миллиардов лет назад. Самые старые известные окаменелости относятся к организмам, подобным бактериям.
Бактерии могут использовать большинство органических и некоторые неорганические соединения в качестве пищи, а некоторые могут выжить в экстремальных условиях.
Растущий интерес к функции микробиома кишечника проливает новый свет на роль бактерий в здоровье человека.
Что такое бактерии?
Бактерии - одноклеточные организмы.
Бактерии - это одноклеточные организмы, которые не являются ни растениями, ни животными.
Обычно они имеют длину несколько микрометров и существуют вместе миллионами.
В грамме почвы обычно содержится около 40 миллионов бактериальных клеток. В миллилитре пресной воды обычно содержится около миллиона бактериальных клеток.
По оценкам, на Земле обитает не менее 5 нониллионов бактерий, а большая часть биомассы Земли состоит из бактерий.
Типы
Есть много разных видов бактерий. Один из способов их классификации - по форме. Есть три основных формы.
- Сферическая форма: бактерии в форме шара называются кокками, а отдельная бактерия - кокком. Примеры включают группу стрептококков, ответственных за «стрептококковое воспаление горла».
- Палочковидные: они известны как бациллы (особые палочки). Некоторые палочковидные бактерии изогнуты. Они известны как вибрионы. Примеры палочковидных бактерий включают: бацилла сибирской язвы (B. anthracis) или сибирской язвы.
- Спираль: они известны как спириллы (единичные спириллы). Если их спираль очень тугая, их называют спирохетами. Бактерии этой формы вызывают лептоспироз, болезнь Лайма и сифилис.
Внутри каждой группы форм существует множество вариаций.
Структура
Бактериальные клетки отличаются от клеток растений и животных. Бактерии - прокариоты, а это значит, что у них нет ядра.
Бактериальная клетка включает:
- Капсула: слой, находящийся на внешней стороне клеточной стенки у некоторых бактерий.
- Клеточная стенка: слой, состоящий из полимера, называемого пептидогликаном. Клеточная стенка придает бактериям форму. Он расположен за пределами плазматической мембраны. У некоторых бактерий, называемых грамположительными бактериями, клеточная стенка толще.
- Плазменная мембрана: находится внутри клеточной стенки, она генерирует энергию и переносит химические вещества. Мембрана проницаема, а значит, через нее могут проходить вещества.
- Цитоплазма: студенистое вещество внутри плазматической мембраны, которое содержит генетический материал и рибосомы.
- ДНК: содержит все генетические инструкции, используемые для развития и функционирования бактерии. Он находится внутри цитоплазмы.
- Рибосомы: здесь производятся или синтезируются белки. Рибосомы - это сложные частицы, состоящие из гранул, богатых РНК.
- Жгутик: он используется для движения, чтобы продвигать некоторые виды бактерий. У некоторых бактерий может быть более одной.
- Пили: Эти похожие на волосы придатки на внешней стороне клетки позволяют ей прилипать к поверхностям и передавать генетический материал другим клеткам. Это может способствовать распространению болезней среди людей.
Кормление
Бактерии питаются по-разному.
Гетеротрофные бактерии или гетеротрофы получают энергию, потребляя органический углерод. Большинство из них поглощают мертвые органические вещества, например разлагающуюся плоть. Некоторые из этих паразитических бактерий убивают своего хозяина, а другие помогают им.
Автотрофные бактерии (или просто автотрофы) производят себе пищу либо посредством:
- фотосинтез с использованием солнечного света, воды и углекислого газа, или
- хемосинтез с использованием углекислого газа, воды и химических веществ, таких как аммиак, азот, сера и другие
Бактерии, использующие фотосинтез, называются фотоавтотрофами. Некоторые виды, например цианобактерии, производят кислород. Вероятно, они сыграли жизненно важную роль в создании кислорода в атмосфере Земли. Другие, например гелиобактерии, не производят кислород.
Те, кто использует хемосинтез, известны как хемоавтотрофы. Эти бактерии обычно встречаются в океанских источниках и в корнях бобовых, таких как люцерна, клевер, горох, фасоль, чечевица и арахис.
Где они живут?
Бактерии можно найти в почве, воде, растениях, животных, радиоактивных отходах, глубоко в земной коре, во льдах и ледниках Арктики, а также в горячих источниках. Бактерии обитают в стратосфере на высоте от 6 до 30 миль в атмосфере и в океанских глубинах до 32 800 футов или 10 000 метров.
Аэробы, или аэробные бактерии, могут расти только там, где есть кислород. Некоторые типы могут вызвать проблемы для окружающей человека среды, такие как коррозия, загрязнение, проблемы с прозрачностью воды и неприятный запах.
Анаэробы, или анаэробные бактерии, могут расти только там, где нет кислорода. У людей это в основном в желудочно-кишечном тракте. Они также могут вызывать газы, гангрену, столбняк, ботулизм и большинство стоматологических инфекций.
Факультативные анаэробы или факультативные анаэробные бактерии могут жить как с кислородом, так и без него, но они предпочитают среду, в которой есть кислород. В основном они встречаются в почве, воде, растительности и некоторой нормальной флоре людей и животных. Примеры включают Сальмонелла.
Мезофилы, или мезофильные бактерии, являются бактериями, вызывающими большинство инфекций человека. Они хорошо себя чувствуют при умеренных температурах, около 37 ° C. Это температура человеческого тела.
Примеры включают Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Золотистый стафилококк, Streptococcus pyrogenes, Пневмококк, кишечная палочка, и Clostridium kluyveri.
Кишечная флора человека или микробиом кишечника содержит полезные мезофильные бактерии, такие как диетические бактерии. Lactobacillus acidophilus.
Экстремофилы, или экстремофильные бактерии, могут противостоять условиям, которые считаются слишком экстремальными для большинства форм жизни.
Термофилы могут жить при высоких температурах, от 75 до 80 ° C, а гипертермофилы - при температурах до 113 ° C.
Глубоко в океане бактерии живут в полной темноте у термальных источников, где и температура, и давление высоки. Они сами готовят себе пищу, окисляя серу, которая поступает из глубины земли.
К другим экстремофилам относятся:
- галофилы, встречаются только в соленой среде
- ацидофилы, некоторые из которых живут в среде с такой кислотностью, как pH 0
- алкалифилы, живущие в щелочной среде до pH 10,5
- психрофилы, обнаруженные при низких температурах, например, в ледниках
Экстремофилы могут выжить там, где нет других организмов.
Размножение и трансформация
Бактерии могут воспроизводиться и изменяться с помощью следующих методов:
- Бинарное деление: бесполая форма размножения, при которой клетка продолжает расти, пока новая клеточная стенка не прорастет через центр, образуя две клетки. Они разделяются, образуя две клетки с одним и тем же генетическим материалом.
- Передача генетического материала: клетки приобретают новый генетический материал посредством процессов, известных как конъюгация, трансформация или трансдукция. Эти процессы могут сделать бактерии более сильными и более способными противостоять угрозам, таким как лечение антибиотиками.
- Споры: когда у некоторых видов бактерий мало ресурсов, они могут образовывать споры. Споры содержат материал ДНК организма и ферменты, необходимые для прорастания. Они очень устойчивы к стрессам окружающей среды. Споры могут оставаться неактивными в течение столетий, пока не возникнут подходящие условия. Затем они могут реактивироваться и стать бактериями.
- Споры могут выжить в периоды стресса окружающей среды, включая ультрафиолетовое (УФ) и гамма-излучение, высыхание, голод, химическое воздействие и экстремальные температуры.
Некоторые бактерии производят эндоспоры или внутренние споры, в то время как другие производят экзоспоры, которые выходят наружу. Это кисты.
Clostridium является примером бактерии, образующей эндоспоры. Существует около 100 видов Clostridium, включая Clostridium botulinim (C. botulinim) или ботулизм, вызывающий потенциально смертельное пищевое отравление, и Clostridium difficile (С. Сложный), который вызывает колит и другие проблемы с кишечником.
Использует
Бактерии часто считаются плохими, но многие из них полезны. Без них нас бы не было. Кислород, которым мы дышим, вероятно, был создан в результате деятельности бактерий.
Человеческое выживание
Многие бактерии в организме играют важную роль в выживании человека. Бактерии в пищеварительной системе расщепляют питательные вещества, такие как сложные сахара, в формы, которые организм может использовать.
Неопасные бактерии также помогают предотвратить болезни, занимая места, в которых патогенные или вызывающие болезни бактерии хотят прикрепиться. Некоторые бактерии защищают нас от болезней, нападая на болезнетворные микроорганизмы.
Фиксация азота
Бактерии поглощают азот и после гибели выделяют его для использования в растениях. Для жизни растениям необходим азот в почве, но они не могут этого сделать сами. Чтобы гарантировать это, у многих семян растений есть небольшой контейнер с бактериями, который используется, когда растение прорастает.
Пищевые технологии
Молочнокислые бактерии, такие как Лактобациллы и Лактококк вместе с дрожжами и плесенью или грибами используются для приготовления таких продуктов, как сыр, соевый соус, натто (ферментированные соевые бобы), уксус, йогурт и соленые огурцы.
Ферментация не только полезна для сохранения продуктов, но и некоторые из этих продуктов могут быть полезны для здоровья.
Например, некоторые ферментированные продукты содержат бактерии, которые схожи с бактериями, влияющими на здоровье желудочно-кишечного тракта. Некоторые процессы ферментации приводят к появлению новых соединений, таких как молочная кислота, которые обладают противовоспалительным действием.
Необходимы дополнительные исследования, чтобы подтвердить пользу для здоровья ферментированных продуктов.
Бактерии в промышленности и исследованиях
Бактерии могут расщеплять органические соединения. Это полезно для таких видов деятельности, как переработка отходов и очистка разливов нефти и токсичных отходов.
В фармацевтической и химической промышленности бактерии используются для производства некоторых химикатов.
Бактерии используются в молекулярной биологии, биохимии и генетических исследованиях, потому что они могут быстро расти и ими относительно легко манипулировать. Ученые используют бактерии, чтобы изучить, как работают гены и ферменты.
Бактерии необходимы для производства антибиотиков.
Bacillus thuringiensis (Bt) - это бактерия, которую можно использовать в сельском хозяйстве вместо пестицидов. Он не имеет нежелательных последствий для окружающей среды, связанных с использованием пестицидов.
Опасности
Некоторые виды бактерий могут вызывать заболевания у людей, такие как холера, дифтерия, дизентерия, бубонная чума, пневмония, туберкулез (ТБ), брюшной тиф и многие другие.
Если человеческий организм подвергается воздействию бактерий, которые организм не считает полезными, иммунная система атакует их. Эта реакция может привести к появлению симптомов отека и воспаления, которые мы видим, например, в инфицированной ране.
Сопротивление
В 1900 году пневмония, туберкулез и диарея были тремя главными убийцами в Соединенных Штатах. Методы стерилизации и прием антибиотиков привели к значительному снижению смертности от бактериальных заболеваний.
Однако чрезмерное использование антибиотиков затрудняет лечение бактериальной инфекции. По мере мутации бактерий они становятся более устойчивыми к существующим антибиотикам, что затрудняет лечение инфекций. Бактерии трансформируются естественным путем, но чрезмерное использование антибиотиков ускоряет этот процесс.
«Даже если будут разработаны новые лекарства, без изменения поведения, устойчивость к антибиотикам останется серьезной угрозой».
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ)
По этой причине ученые и органы здравоохранения призывают врачей не назначать антибиотики, если в этом нет необходимости, а также применять другие способы предотвращения болезней, такие как соблюдение правил пищевой гигиены, мытье рук, вакцинация и использование презервативов.
Микробиом кишечника
Недавние исследования привели к новому и растущему осознанию того, как человеческий организм взаимодействует с бактериями, и особенно с сообществами бактерий, живущих в кишечном тракте, известных как микробиом кишечника или кишечная флора.
В 2009 году исследователи опубликовали результаты, свидетельствующие о том, что женщины с ожирением чаще болеют определенным видом бактерий, Селеномонада Ноксия (S. noxia), во рту.
В 2015 году ученые из Университета Северной Каролины обнаружили, что кишечник людей с анорексией содержит «совсем другие» бактерии или микробные сообщества по сравнению с людьми, не страдающими этим заболеванием. Они предполагают, что это может иметь психологическое воздействие.
История
Более 2000 лет назад римский автор Марк Теренций Варрон предположил, что болезнь может быть вызвана крошечными животными, которые плавают в воздухе. Он посоветовал людям избегать заболоченных мест во время строительных работ, потому что они могут содержать слишком маленьких для глаза насекомых, которые попадают в тело через рот и ноздри и вызывают болезни.
В 17 веке голландский ученый Антони ван Левенгук создал однообъективный микроскоп, с помощью которого он увидел то, что он назвал анималкулами, позже известными как бактерии. Считается первым микробиологом.
В 19 веке химики Луи Пастер и Роберт Кох говорили, что болезни вызываются микробами. Это было известно как теория зародыша.
В 1910 году ученый Пауль Эрлих объявил о разработке первого антибиотика - сальварсана. Он использовал его для лечения сифилиса. Он также был первым ученым, обнаружившим бактерии с помощью пятен.
В 2001 году Джошуа Ледербург ввел термин «микробиом кишечника», и в настоящее время ученые всего мира стремятся описать и понять более точно структуры, типы и использование «кишечной флоры» или бактерий в организме человека.
Ожидается, что со временем эта работа прольет новый свет на широкий спектр заболеваний.
