Бактерии

Содержание:

• 1. Общая характеристика бактерий
• 2. Строение бактерий
• 3. Классификация бактерий
• 4. Размножение бактерий
• 5. Значение бактерий
• 6. Некоторые инфекционные заболевания человека
• 7. Методы борьбы с бактериями
• 8. Цианобактерии

Общая характеристика бактерий

К царству Бактерии относятся собственно бактерии и цианобактерии.

Бактерии — это мельчайшие одноклеточные прокариотические (безъядерные) организмы.

Размеры бактерий: обычно от 0,1 до 15 мкм, но иногда достигают 30—100 мкм.

Численность видов бактерий: около 3 млрд.

Распространенность бактерий: в почве (в 1 г до 2,5-3 млрд.), в воздухе (на высоте до 20 км), в воде (особенно в верхних слоях водоемов), в живых организмах (в форме мутуализма и паразитизма).

Морфологические типы бактерий (в зависимости от формы тела): кокки (сферические), бациллы (прямые палочковидные), спириллы (спиралевидные), вибрионы (в виде запятой), спирохеты (извитые), колониальные формы (диплококки, стрептококки, стафилококки) и др.

Подвижность: некоторые бактерии подвижны благодаря наличию жгутиков.

В обычном состоянии бактерии неустойчивы при высушивании и воздействии прямых солнечных лучей, повышении температуры до 65-80 °С, погибают от воздействия спирта и других дезинфицирующих веществ.

Строение бактерий

Бактериальная клетка не имеет оформленного ядра, покрыта оболочкой, состоящей из плазматической мембраны, клеточной стенки и (у многих видов бактерий) внешней слизистой капсулы.

Плазматическая мембрана полупроницаема и обеспечивает избирательное поступление веществ в клетку и выделение в окружающую среду продуктов обмена веществ. Она образует складчатые впячивания внутрь цитоплазмы (мезосомы). На мембранах мезосом находятся различные окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в дыхании, и (у фотосинтезирующих бактерий) пигменты, участвующие в фотосинтезе. Т.е. мезосомы выполняют функции митохондрий (синтезируют АТФ), хлоропластов (осуществляют фотосинтез), комплекса Гольджи и эндоплазматической сети (накапливают и преобразуют органические вещества и осуществляют их транспорт внутри клетки и выведение за ее пределы).

Клеточная стенка — тонкая, прочная и эластичная, придает бактериальной клетке определенную форму, защищает ее содержимое от воздействия неблагоприятных факторов внешней среды и выполняет ряд других функций. Опорным каркасом клеточной стенки служит сетка из одного или несколько слоев муреина. В состав клеточной стенки бактерий не входят хитин и целлюлоза, характерные для клеток грибов и растений.

Слизистая капсула предохраняет клетку от высыхания и является ее защитным покровом, а также служит для образования колоний из отдельных клеток.

Генетический материал бактерий представлен нуклеоидом, не ограниченным мембранами и находящимся в центре клетки.

Нуклеоид (или бактериальная хромосома) — это зона, обычно находящаяся в центре бактериальной клетки, содержащая кольцевую молекулу ДНК и не ограниченная мембранами. Молекула ДНК в нуклеоиде не связана с гистоновыми белками и прикрепляется к выросту цитоплазматической мембраны в одной точке. Нуклеоид является носителем генетической информации и контролирует нормальный ход всех внутриклеточных процессов.

Молекула ДНК у бактерий имеет до 5 000 000 пар нуклеотидов; но суммарное содержание ДНК в одной бактериальной клетке значительно меньше, чем в ядерной (эукариотической).

Цитоплазма бактериальной клетки представляет собой смесь белков, жиров, углеводов, других органических соединений, минеральных веществ и воды и имеет зернистый вид. В ней содержится до 20 тысяч рибосом класса 70S (медленно осаждаемых), на которых синтезируются белки. В цитоплазме бактерий также содержатся многочисленные включения — гранулы запасаемых веществ. У некоторых бактерий в цитоплазме имеются плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК, участвующие в обмене генетической информацией между различными бактериальными клетками.

В клетках бактерий отсутствуют митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи и другие органеллы, однако в них хорошо развиты мембранные структуры в виде канальцев, пузырьков и тила-коидов, часто содержащих ферменты и пигменты и являющихся аналогами многих органелл эукариотической клетки.

Жгутики — это органоиды движения бактерий, состоящие из собранных в спираль глобул особого белка — флагеллина. Они берут свое начало под цитоплазматической мембраной, закрепляясь там с помощью пары дисков. Количество жгутиков у бактерии — от I до 50. У одних бактерий жгутики расположены только на одном конце клетки, у других — на двух или по всей поверхности. Способ расположения жгутиков является характерным признаком при классификации подвижных бактерий.

У некоторых безжгутиковых водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли, позволяющих погружаться в толщу воды, подниматься на ее поверхность или передвигаться в капиллярах почвы.

Классификация бактерий

❖ Классификация бактерий по типу питания (ассимиляции):
■ автотрофные,
■ гетеротрофные.

♦Автотрофные бактерии сами синтезируют нужные им органические вещества из неорганических.

■ В зависимости от способа получения энергии, необходимой для этого синтеза, автотрофные бактерии подразделяются на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. Фотосинтезирующие бактерии (например, зеленые и пурпурные) осуществляют фотосинтез органических веществ, используя световую (солнечную) энергию.

В клетках фотосинтезирующих бактерий (в отличие от клеток растений) нет пластид, а фотосинтезирующие пигменты (бактерио-хлорофиллы) находятся в тилакоидах, образующихся в результате выпячивания цитоплазматической мембраны. По своей структуре бактериохлорофиллы подобны хлорофиллам растений и отличаются от них природой белковых цепей.

Хемосинтезирующие бактерии получают нужную для синтеза энергию от экзотермических реакций окисления неорганических веществ (молекулярного водорода, сероводорода, аммиака, закиси железа и др.). ‘

❖ Гетеротрофные бактерии (их большинство) используют в пищу готовые органические вещества, которые служат этим бактериям источником энергии и атомов углерода.

■ В зависимости от источника пищи гетеротрофные бактерии подразделяются на сапротрофы и симбионты.

Сапротрофы извлекают органические вещества из разлагающихся мертвых остатков организмов (бактерии гниения, получающие энергию от расщепления азотсодержащих соединений), выделений живых организмов (бактерии брожения, получающие энергию от расщепления углеродсодержащих соединений).

Симбионты поглощают органические вещества тела хозяина (растения, животного или человека), в котором они живут. При этом симбионты или:

■ продуцируют вещества, необходимые организму хозяина (пример: клубеньковые азотфиксирующие бактерии, поселяющиеся на корнях бобовых растений и находящиеся с ними во взаимовыгодном сосуществовании), или

■ наносят вред организму хозяина, вызывая в нем болезни (бактерии-паразиты).

❖ Классификация бактерий по типу диссимиляции (потребности в кислороде для высвобождения энергии, запасенной в молекулярных связях):
■ аэробные,
■ анаэробные,
■ факультативные.

Аэробные бактерии (туберкулезная палочка, гнилостные бактерии) живут только в кислородной среде (в верхних слоях почвы, в воздухе) и получают энергию путем окисления органических соединений до воды и диоксида углерода.

Анаэробные бактерии (бактерии желудочно-кишечного тракта, столбнячная палочка, возбудители гангрены, палочка ботулизма и др.) обитают в бескислородных средах и получают энергию в процессе реакций гликолиза и брожения.

Факультативные бактерии могут обитать как в кислородных, так и в бескислородных средах (пример: молочнокислая бактерия).

Размножение бактерий

❖ Тип размножения бактерий — бесполый. Бактериальная клетка начинает размножаться, попав в благоприятные условия и достигнув определенного размера.

❖ Формы (способы) размножения бактерий:
■ делением клетки надвое,
■ почкованием (встречается как исключение),
■ спорообразованием.

Размножение делением клетки надвое: сначала путем репликации ДНК удваивается генетический материал клетки. После этого белки, прикрепляющие молекулы ДНК к выростам цитоплазматической мембраны, разделяют (растаскивают) дочерние молекулы ДНК и происходит оформление обособленных бактериальных хромосом (нуклеоидов). Затем клетка удлиняется, и в ней постепенно образуется поперечная перегородка. Наконец, две дочерние клетки расходятся. Деления клеток происходят примерно через каждые 15—20 минут.

Спорообразование свойственно некоторым бактериям при наступлении неблагоприятных условий. При этом в бактериальной клетке значительно уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность, цитоплазма сжимается, а клетка покрывается очень плотной оболочкой. Споры бактерий устойчивы к различным воздействиям (выдерживают длительное высыхание, нагревание свыше 100 °С и охлаждение примерно до -200 °С) и сохраняют жизнеспособность в течение длительного времени. При попадании в благоприятные условия споры набухают и прорастают, образуя новую вегетативную клетку бактерий.

♦ Виды спор бактерий:
■ микроцисты (образуются из целой клетки),
■ эндогенные (образуются внутри клетки).

Циста — временная форма существования многих одноклеточных и ряда простейших многоклеточных организмов, характеризующаяся наличием защитной оболочки. Позволяет перенести неблагоприятные условия или предохраняет клетку в период ее деления.

❖ Формы полового процесса у бактерий:
■ трансформация,
■ конъюгация,
■ трансдукция.

Трансформация осуществляется при попадании фрагментов ДНК разрушенных клеток одной культуры бактерий в живую культуру другой бактерии. Эти фрагменты ДНК могут поглощаться клеткой-реципиентом и встраиваться в ее нуклеоид.

При конъюгации перенос участка ДНК от донора (выполняющего мужские функции) к клетке-реципиенту осуществляется при непосредственном контакте через половую фимбрию (тонкую белковую трубочку), которая формируется у клетки-донора. После этого клетки разъединяются. При конъюгации очень часто наблюдается передача не всей молекулы ДНК, а только ее фрагментов.

При трансдукции небольшой фрагмент ДНК переносится от одной клетки к другой бактериофагами.

Значение бактерий

❖ Положительное значение:
■ они участвуют в круговороте веществ и являются конечным звеном всех цепей питания;
■ являются редуцентами в биогеоценозе (разлагают и минерализуют экскременты и органические остатки);
■ участвуют в процессе почвообразования;
■ служат источником азота для бобовых растений;
■ принимают участие в образовании торфа, каменного угля, железной руды, других полезных ископаемых;
■ участвуют в биохимических процессах пищеварения животных и человека;
■ применяются в пищевой промышленности (для консервирования, получения молочнокислых продуктов и т.д.);
■ используются в микробиологической и химической промышленности (для получения спиртов, ацетона, сахаров, органических кислот и других химических соединений),
■ используются в фармацевтической промышленности для получения антибиотиков, вакцин, витаминов, аминокислот, ферментов и других биологически активных веществ;
■ применяются в процессах обработки льна, дубления кож и т.д.;
■ являются удобным объектом для генной инженерии;
■ применяются для борьбы с вредителями сельского хозяйства.

❖ Отрицательное значение:
■ многие виды бактерий (болезнетворные, или патогенные, бактерии) паразитируют на растениях, животных и человеке, вызывая их инфекционные заболевания;
■ сапротрофные бактерии гниения и брожения вызывают гниение и порчу продуктов питания.

Некоторые инфекционные заболевания человека

Дифтерия вызывается дифтерийной палочкой, поражающей верхние дыхательные пути. Токсин, выделяемый этими бактериями, разносится кровью и воздействует на сердце. Способ борьбы — прививка неактивным токсином.

Тиф: возбудитель — бактерии риккетсии, их переносчик -вши. При заболевании поражаются стенки кровеносных сосудов и образуются тромбы. Возможна прививка с помощью убитых бактерий, а также лечение антибиотиками тетрациклинового ряда.

Туберкулез: возбудитель — туберкулезная палочка, поражающая легкие и кости. Заражение происходит воздушно-капельным путем, а также через молоко больных животных. Профилактика -вакцинацией; лечение производится специальными препаратами.

Сифилис: возбудитель — спирохета рода трепонема. Сначала поражаются половые органы, затем глаза, кости, суставы, кожа, центральная нервная система. Передается при половом контакте. Лечение — антибиотиками и специальными препаратами.

Холера вызывается холерным вибрионом, в результате жизнедеятельности которого выделяется токсин, поражающий слизистую кишечника. Заражение происходит при употреблении в пищу грязных продуктов питания и воды. Для лечения применяются антибиотики тетрациклинового ряда.

■ Токсины — ядовитые продукты жизнедеятельности бактерий, которые, как правило, или сами являются поражающими факторами, или угнетают защитные силы организма, усиливая патогенное действие возбудителей болезни.

Методы борьбы с бактериями

❖ Методы борьбы с гнилостными бактериями:
■ высушивание плодов, грибов, мяса, рыбы, зерна;
■ охлаждение и замораживание продуктов;
■ маринование продуктов в уксусной кислоте;
■ создание высокой концентрации сахара (например, при изготовлении варенья), что вызывает плазмолиз в клетках бактерий и нарушает их жизнедеятельность;
■ консервирование (засолка).

❖ Другие методы борьбы с бактериями, в том числе болезнетворными:

■ дезинфекция (обеззараживание) — уничтожение болезнетворных микроорганизмов специальными химическими веществами (хлорной известью, хлорамином, раствором йода, этиловым спиртом и др.);

■ пастеризация — уничтожение бактерий в пищевых продуктах нагреванием до температуры 65-70 °С в течение 15-30 мин;

■ стерилизация — уничтожение бактерий с помощью ультрафиолетового излучения, химикатов или кипячения в автоклавах при температуре 120-130 °С и повышенном давлении;

■ соблюдение гигиены;

■ профилактические прививки.

Цианобактерии

Цианобактерии (или сине-зеленые водоросли) — группа микроскопических фототрофных одноклеточных, колониальных и многоклеточных (нитчатых) прокариотических организмов.

■ Цианобактерии осуществляют обычный двухфазный (со световой и темновой фазами) кислородный фотосинтез.

❖ Распространение: в пресных и соленых водоемах (входят в состав планктона и бентоса), на поверхности почвы, на скалах; могут вступать в симбиоз с грибами (образуя лишайники), протистами, водорослями, мхами.

Планктон — совокупность организмов (бактерий, микроскопических водорослей, животных и их личинок), населяющих толщу воды и пассивно переносимых течением.

Бентос — совокупность организмов, обитающих в грунте и на поверхности дна водоема.

❖ Строение — сходное с бактериями: клетки безъядерные, имеют толстые многослойные стенки, состоящие из полисахаридов, пектиновых веществ и целлюлозы; часто покрыты слизистым чехлом. В цитоплазме расположены мембранные фотосинтезирующие структуры и пигменты, хлорофиллы, каротиноиды, фикоэритрин и др. (благодаря их разнообразию цианобактерии могут поглощать свет различных длин волн), а также нуклеоид, рибосомы, включения запасного вещества —гликогена, а также (у некоторых видов) газовые вакуоли, наполненные азотом и регулирующие плавучесть клетки. У ряда нитчатых форм цианобактерий имеются специализированные клетки с сильно утолщенными бесцветными оболочками — гетероцисты, участвующие в фиксации азота и размножении.

❖ Размножение: бесполое, делением клетки надвое; колониальные и нитчатые цианобактерии — распадом колоний или нитей.

♦ Значение бактерий:
■ обогащают воду кислородом, а почву — органикой и азотом;
■ очищают воду, минерализуя продукты гниения;
■ являются кормом для зоопланктона и рыб;
■ используются для получения ряда ценных веществ (аминокислот, пигментов, витамина В₁₂ и др.), вырабатываемых ими в процессе жизнедеятельности;
■ отдельные виды (спирулина, носток) используются в пищу;
■ (отрицательное) вызывают «цветение» воды в период массового размножения, обычно сопровождающегося гибелью (из-за недостатка пищи) и гниением большинства дочерних особей, что делает воду непригодной для питья и вызывает гибель рыбы.