Появления бактерий. Распространение в природе

Бактерии представляют собой одноклеточные организмы, лишенные хлорофилла. Эта группа микроорганизмов наиболее многочисленна, широко распространена в природе и хорошо изучена. Среди бактерий имеется значительное число возбудителей инфекционных заболеваний человека и животных.

Форма и размеры бактерий. По форме клеток бактерии разделяются на шаровидные — кокки; палочковидные или цилиндрические — собственно бактерии; извитые— вибрионы и спириллы. Между основными формами имеются переходные. Различные формы бактерий показаны на рис. 1.

Кокки (от греч. coccus— зерно, ягода) различаются между собой в зависимости от расположения клеток после их деления. Одиночные кокки называются микрококками (рис. 1,1), парные — диплококками. Если кокки после деления не расходятся, а образуют цепочку, их называют стрептококками (рис. 1,3). Все эти кокки делятся только в одной плоскости. При делении в двух взаимно перпендикулярных плоскостях могут образоваться сочетания из четырех кокков — тетракокки (рис. 1,6), а при делении в трех взаимно перпендикулярных плоскостях — сарцины (от лат. sarcio — связывать; рис. 1,7), состоящие из 8—16 клеток. Если деление происходит без определенного порядка, кокки остаются вместе и образуют скопления, напоминающие грозди винограда, — стафилококки (рис.1,2). Обычно размеры кокков достигают 1—1,5 мкм.

Среди кокков имеются возбудители различных заболеваний человека: диплококки-пневмококки (рис. 1,5), мейингококки и гонококки (рис. 1,4) вызывают соответственно воспаление легких, менингит и гонорею; стафилококки и стрептококки — различные гнойные заболевания человека и животных. Многие кокки являются обитателями различных полостей и кожи человека и широко распространены во внешней среде.

Палочковидные бактерии (от греч. bacteria— палочка) имеют цилиндрическую форму и обычно располагаются одиночно (рис. 1,8—9), но иногда попарно (диплобактерии) или в виде цепочек (стрептобактерии). Палочки могут быть прямыми, слегка изогнутыми и веретенообразными; размеры их достигают 1—5x0,5— 1 мкм. Палочки, не образующие спор, называют бактериями, а спорообразующие — бациллами (аэробы) и клостридиями (анаэробы). Под воздействием различных факторов форма и величина бактерий могут меняться. Способность бактерий изменять свою форму и величину называется полиморфизмом.

Среди бактерий много возбудителей инфекционных заболеваний: чумы, сибирской язвы, бруцеллеза, столбняка, газовой гангрены, дифтерии, кишечных инфекций.

Извитые формы бактерий имеют вид спирали, состоящей из нескольких завитков. Среди них различают вибрионы, имеющие один завиток (рис. 1, 10), и спириллы с 2—3 завитками (рис. 1, 11).

Вибрионы — слабоизогнутые клетки, напоминающие запятую, длиной 1—3 мкм, очень подвижные за счет жгутика, расположенного на конце клетки. Среди вибрионов наибольшее значение имеет возбудитель холеры.
Спириллы — безвредные микроорганизмы, живущие в сточных или загрязненных водах, гниющих отбросах. Только Spirillum minus вызывает у человека болезнь укуса крысы—содоку.

Структура бактерий. Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и цитоплазмы, которая содержит ядерное вещество, различные органеллы и включения. Кроме того, у многих бактерий имеются капсула и слизистый слой, жгутики и пили (рис. 2).

Клеточная стенка. Оболочка, которая отделяет микробную клетку от окружающей среды, определяет и сохраняет ее форму, получила название клеточной стенки (рис. 3). Она характеризуется прочностью, эластичностью и гибкостью. Клеточная стенка выполняет жизненно важную функцию: предохраняет клетку от осмотического лизиса, так как давление внутри клетки в цитоплазме выше, чем в окружающей среде. Обладая избирательной проницаемостью, клеточная стенка обеспечивает прохождение внутрь клетки различных веществ и выведение наружу продуктов обмена. Через клеточную стенку легко проникают вода, глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, имеющие молекулы небольших размеров. Более крупные молекулы органических веществ не могут проникнуть внутрь клетки без предварительного расщепления их на более мелкие с помощью ферментов, выделяемых клеткой.

Клеточная стенка бактерий имеет сложную структуру и построена из компонентов двух типов. Прочность и твердость клеточной стенке придает сеть микрофибрилл, которая погружена в содержимое — матрикс. Микрофибриллы являются гликопептидами (пептидогликаны, или муреины). Слой гликопептидов определяет и сохраняет форму бактериальной клетки. Структура и химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий различны.

Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет наиболее простое строение. Структура ее однородна, она толще (10—15 нм), чем клеточная стенка грамотрицательных бактерий. Основная масса клеточной стенки — гликопептиды (до 90%). Сеть микрофибрилл погружена в матрикс, содержащий полисахариды (до 90%) и тейхоевые кислоты. Белки обычно отсутствуют, а липиды составляют всего 2,5%. Однако некоторые грамположительные бактерии, например коринебактерии и микобактерии, содержат в клеточной стенке большое количество липидов.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий имеет сложное строение и по химическому составу значительно отличается от клеточных стенок грамположительных бактерий. Внутренний слой клеточной стенки — тонкий мешочек молекул гликопептида, состоящий из одного или двух молекулярных слоев (2—3 нм). Поверх него лежит широкий внешний слой (7—8 нм) из неплотно упакованных молекул белка и фосфолипидов, над которым располагается третий слой — липополисахариды. Возможна и другая структура внешнего слоя клеточной стенки: в двойной слой фосфолипидов включены белки и липополисахариды.

В клеточной стенке этих бактерий много липидов (до 25%), белка и полисахаридов.

Цитоплазматическая мембрана. Непосредственно под клеточной стенкой расположена цитоплазматическая мембрана, очень плотно прилегающая к ней (рис.4). Цитоплазматическая мембрана имеет большое значение в жизни клетки. Она действует как осмотический барьер, концентрируя внутри клетки питательные вещества и способствуя выведению продуктов обмена. Через нее проходят частицы, имеющие молекулы небольших размеров (фрагменты ДНК, белки с низкой молекулярной массой— внеклеточные ферменты). Белки цитоплазматической мембраны — пермеазы выполняют функцию транспорта — переноса органических и неорганических веществ в клетку. Дитоплазматическая мембрана является местом биосинтеза некоторых составных частей клетки, принимает участие в процессах деления бактерий. На внутренней поверхности ее находятся специальные участки, к которым прикрепляется ДНК в процессе ее удвоения (репликации). Рост мембраны обеспечивает разделение генома клетки после завершения процесса репликации. У аэробных бактерий в цитоплазматической мембране находится цепочка переноса электронов, обеспечивающих энергетический обмен клетки.

Цитоплазматическая мембрана очень тонка (не более 8—10 нм). На электронных микрофотографиях она видна как двойная линия, разделенная светлым промежутком (трехслойная). Более половины массы цитоплазматической мембраны составляют белки и 20—30% — фосфолипиды. Цитоплазматическая мембрана бактерий имеет структуру элементарной биологической мембраны — двойного слоя фосфолипидов, на поверхности которых расположены белки.
При некоторых воздействиях на бактериальную клетку, например при помещении ее в гипертонический раствор хлорида натрия, мембрана может отделиться от клеточной стенки и стать хорошо видимой (см. рис. 3).

Цитоплазма. Содержимое бактериальной клетки — ограниченное цитоплазматической мембраной прозрачное, слегка вязкое вещество жидкой консистенции. Цитоплазма клеток бактерий является коллоидальной системой, состоящей из воды, протеинов, жиров, углеводов, различных минеральных и других веществ, соотношения которых варьируют в зависимости от вида бактерий и возраста клетки.
В цитоплазме бактерии находятся ядро клетки — нуклеоид, рибосомы, мезосомы, а также различные гранулы запасных питательных веществ, пигменты, жиры.

Нуклеоид. Содержит ДНК, которая связана с небольшим количеством специфического основного белка— гистона (нуклеопротеид) и является хранителем наследственной информации в клетке. В отличие от ядер других микроорганизмов, например простейших, нуклеоид бактерий не имеет ясно выраженной мембраны, ограничивающей его от остальной части цитоплазмы (см. рис. 4). Молекула ДНК по схеме, предложенной в 1953 г. Уотсоном и Криком, состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой наподобие винтовой лестницы (рис. 5). Наружную поверхность такой двойной спирали образует сахар — дезоксирибоза (С), которая чередуется с остатками фосфорной кислоты (Ф). Внутри спирали перпендикулярно к ее оси, как ступеньки лестницы, расположены плоские молекулы азотистых оснований: пурины — аденин (А), гуанин (Г) и пиримидины — тимин (Т), цитозин (Ц). Каждый пурин вследствие своей химической структуры обязательно соединен с пиримидином, поэтому нить ДНК имеет равномерную толщину, около 0,2 нм, на всем протяжении. Длина молекулы ДНК может быть в сотни миллионов раз больше. Например, общая длина хромосомы кишечной палочки 1— 1,4 мм.Пурины и пиримидины соединены между собой водородными связями, которые легко разрываются. Каждое азотистое основание прикреплено только к сахару наружной цепи — дезоксирибозе. Дезоксирибоза, фосфат и азотистое основание образуют один мономер ДНК, называемый нуклеотидом (Н). Для ДНК многих бактерий характерна кольцевая структура в виде замкнутого кольца. У большинства прокариотов только одна бактериальная хромосома.

Рибосомы. Помимо ДНК, в клетке есть вторая нуклеиновая кислота — рибонуклеиновая (РНК), которая в отличие от ДНК состоит из одной цепи, имеет сахар рибозу вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина. Основная масса РНК связана с белком в форме маленьких частиц, или рибосом, которые являются центрами синтеза белка. Рибосомы образуют большие агрегаты, называемые полирибосомами, или полисомами, состоящими из 7—8 рибосом и более. Химический состав рибосом: 40—60% РНК и 60—40% белка. У бактерий рибосомы свободно лежат в цитоплазме. Количество их в каждой клетке может быть более 100. Помимо рибосомальной РНК (рРНК), в цитоплазме бактерии находится еще информационная РНК (иРНК, или мРНК). Она осуществляет функцию переноса генетической информации от ДНК к полисомам. У кишечной палочки она составляет 2— 4 % от всей РНК. Третья рибонуклеиновая кислота — транспортная (тРНК)—выполняет функцию транспортировки в рибосомы аминокислот, необходимых для синтеза белка.

Мезосомы. У некоторых бацилл из цитоплазматической мембраны возникают сферические, закрученные в завиток структуры — так называемые мезосомы. Функция их пока не совсем ясна. Возможно, они участвуют в процессе деления клетки или в окислительно-восстановительных процессах, выполняя роль митохондрий.

Гранулы. В цитоплазме бактерий находятся различные гранулы, многие из которых содержат запасные питательные вещества. Источником углерода или энергии служат гранулы безазотистых органических веществ — полисахариды, состоящие из молекул глюкозы. Одни гранулы состоят из крахмала и окрашиваются йодом в синий цвет (иогены или гранулеза), другие содержат гликоген и окрашиваются йодом в красновато-коричневый цвет. Сернистые бактерии накапливают в цитоплазме капельки серы, некоторые бактерии синтезируют и накапливают липидные включения, которые видны в форме мелких капель благодаря большой степени их преломления.

У некоторых микробов в цитоплазме находятся зерна волютина, впервые обнаруженные у спирилл (Spirillum volutans). Они являются запасными питательными веществами, состоящими из неорганических полифосфатов и соединений, близких к нуклеиновым кислотам. Волютин в виде крупных гранул накапливается в цитоплазме бактерий при выращивании их на средах, содержащих углеводы. Зерна волютина при окраске их метиленовым синим обнаруживают явления метахромазии: синяя краска придает им ярко-красный цвет. У некоторых бактерий, например коринебактерий, обнаружение зерен волютина является ценным диагностическим признаком.

Капсула и слизистый слой. У многих бактерий с наружной стороны клеточной стенки расположен диффузный гомогенный слизистый слой различной толщины (см. рис. 2,1). Этот слой можно выявить при определенных способах окраски или соответствующем освещении.

Капсулой называют слой, который сохраняет тесную связь с клеточной стенкой и служит внешним покровом клетки. Толщина его ограничена, и капсула четко выявляется при негативном окрашивании по методу Гинса: на темном фоне препарата видна окрашенная в красный цвет бактериальная клетка, окруженная бесцветной капсулой. Толщина капсул у бактерий различна: от долей микрометра до 10 мкм. Капсулу величиной менее 0,2 мкм часто называют микрокапсулой. Поверхностные структуры типа капсул описаны у пневмококков, возбудителей сибирской язвы, коклюша, гонореи, группы капсульных бактерий — клебсиелл. У многих видов бактерий капсула появляется лишь при определенных условиях, часто неблагоприятных. Возбудители сибирской язвы, коклюша, гонореи, пневмококки образуют капсулу, попадая в организм человека или животного. В этом случае капсула выполняет защитную роль, предохраняя микроб от действия антител, фагоцитов и других защитных факторов организма. Группа капсульных бактерий сохраняет капсулу постоянно: и в организме человека, и пр,и культивировании на питательных средах. Химический состав капсул зависит от вида бактерий. Основными компонентами капсулы являются вода (до 98%) и полисахариды. В капсуле сибиреязвенных бацилл найдены полипептиды, а в капсуле стрептококка — белок М.

Слизистые слои, образующиеся вокруг поверхности некоторых бактерий, отличаются от капсул более рыхлым строением, толщиной, способностью частично отделяться от образовавшей их клетки. Материал, составляющий слизистый слой, часто обнаруживают в питательной среде, в которой культивируют микроорганизмы.

Защитные функции капсулы разнообразны. Помимо предохранения микроба от действия защитных факторов макроорганизма, капсула предохраняет микроб от притока в клетку большого количества жидкости (осмотический барьер), а также от высыхания при неблагоприятных условиях среды обитания.

Жгутики. Некоторые бактерии обладают подвижностью, которая осуществляется с помощью жгутиков. Число и расположение жгутиков являются характерным видовым признаком бактерий, который используют для дифференциации микроорганизмов. По расположению и числу жгутиков различают бактерии: монотрихи, имеющие один жгутик на одном из полюсов клетки; амфитрихи, у которых на каждом полюсе расположено по одному жгутику; лофотрихи — с пучком жгутиков на одном полюсе (сюда же относят бактерии, которые имеют пучки жгутиков на обоих полюсах), и перитрих и, жгутики у которых расположены по всей поверхности тела (рис. 6).

Жгутики представляют собой тонкие, спиральные, нитевидные фибриллы толщиной 12—18 нм. Длина жгутика может в 10 раз превышать длину самой бактерии. Жгутик отходит от специального образования — базального тельца, расположенного в цитоплазме на внутренней поверхности цитоплазматической мембраны (рис. 7). Базальное тельце имеет сложное строение, в нем находится механизм в виде двух кольцевых пластинок, вращение которых относительно друг друга сообщает движение жгутику.

Жгугики бактерий — белковые нити, состоящие из белка флагеллина, белковые мономеры которого собраны в спиральные цепи, закрученные вокруг полой сердцевины. При движении жгутик вращается вокруг своей длинной оси по или против часовой стрелки. Движение бактерий можно увидеть при исследовании их в живом состоянии с помощью метода висячей или раздавленной капли и при использовании специальных способов окраски в световом микроскопе. Скорость активного движения с помощью жгутиков у некоторых бактерий очень велика: за 1 с они могут пересечь расстояние, в 20 раз превышающее их длину. Механическое удаление приводит к потере подвижности бактерий, но не препятствует их росту и размножению.

Пили (ворсинки). Прямые нитевидные образования, обнаруженные у сальмонелл, эшерихий, протея, называют ворсинками, а также бахромками, фимбриями, ресничками, пилями (рис. 8). Пили тоньше жгутиков бактерий и короче их; состоят из особого белка пилина, мономеры которого, как и у жгутиков, расположены по спирали. Пили различаются по диаметру и длине; толщина пилёй может быть от 4—10 до 35 нм. Количество пил ей на одну бактериальную клетку может достигать нескольких сотен. Пили обеспечивают способность бактерий к прилипанию (адгезия) друг к другу или к субстрату, например к эпителиальным клеткам слизистой оболочки кишечника.

Некоторые пили, например F-ворсинки, выполняют половые функции у бактерий. Они обеспечивают передачу наследственного материала (ДНК) из одной бактериальной клетки в другую, образуя мостик между двумя клетками. Эти ворсинки шире и длиннее остальных и на конце имеют шаровидное утолщение.

Споры. Некоторые бактерии, попадая в неблагоприятные условия существования, образуют внутри тела спору (эндоспора). Эндоспора представляет собой внутриклеточное, сильно преломляющее свет образование, устойчивое (резистентное) к различным вредным факторам внешней среды: высыханию, действию высоких температур, химических и дезинфицирующих веществ (рис. 9).

Спорообразование свойственно преимущественно палочковидным формам бактерий: бациллам и клостридиям. У бактерий других видов оно встречается очень редко. Споры имеют сферическую, овальную или эллипсоидную форму. Диаметр споры обычно равен диаметру клетки, в которой она образуется, или несколько превышает его, а длина споры составляет 1/4-1/3 длины клетки бактерии. Размер и положение внутри бактериальной клетки зависят от вида, возраста и условий выращивания бактерий. Споры могут располагаться в центре клетки — центрально (рис. 9,1), как, например, у возбудителя сибирской язвы; ближе к концу — субтерминально, у возбудителя газовой гангрены (рис. 9,3); на самом конце — терминально, у возбудителя столбняка и ботулизма (рис. 9,2). Форма и расположение споры в бактериальной клетке могут быть отличительными признаками некоторых возбудителей: например, столбнячная палочка имеет круглую спору, расположенную на конце бактерии, и похожа на барабанную палочку, а ботулиническая палочка — овальную спору также на конце бактериальной клетки и напоминает теннисную ракетку. Созревшая спора имеет сложную структуру.

Процесс спорообразования происходит при попадании бактерии в неблагоприятные условия (недостаток питательных веществ, воды, большое содержание кислорода, действие высоких и низких температур и т. д.). Спорообразование начинается с появления «спорогенной зоны»: в бактериальной клетке образуется уплотненный участок, где наблюдается обособление ядерного материала и части цитоплазмы с помощью тонкой перегородки. По мере развития и созревания споры закладываются ее стенки, число и толщина которых варьируют у разных видов бактерий (стадия проспоры). Затем проспора уплотняется, уменьшается в объеме, превращается в зрелую спору, которая окружена плотной многослойной оболочкой, состоящей в основном из белков, липидов и гликопептидов. Весь процесс спорообразования длится 18—24 ч. По химическому составу споры отличаются высоким содержанием липидов, солей кальция; вода в споре находится в связанном с другими соединениями состоянии. Эти особенности спор и обусловливают их высокую устойчивость к различным факторам: кипячению, действию высоких и низких температур, высушиванию, ультрафиолетовому облучению и т. д. При попадании в благоприятные условия существования (наличие питательных веществ, достаточной влажности и оптимальной температуры) спора прорастает в вегетативную форму: она набухает, в оболочке появляется отверстие, через которое вытягивается росток, превращающийся затем в палочку. Весь процесс длится 4—5 ч.

Одной клетке соответствует только одна спора, поэтому спорообразование у бактерий не связано с процессом размножения, как у грибов, а является лишь способом переживания в неблагоприятных условиях внешней среды.

Спорообразующие микробы широко распространены в почве, воздухе, сохраняясь там десятки лет. Среди них встречаются патогенные виды — бациллы сибирской язвы, возбудители газовой гангрены, столбняка и ботулизма.

Сферопласты и протопласты. Бактериальная клетка в определенных условиях может быть лишена клеточной стенки. Эту стенку можно разрушить действием лизоцима или пенициллина, который нарушает синтез гликопептидов. Бактерии, целиком лишенные клеточной стенки, называются протопластами, а при сохранении небольших участков ее—сферопластами. Эти образования покрыты тонкой и нежной цитоплазматической мембраной и имеют сферическую форму. Цитоплазматическая мембрана неспособна сдержать высокое осмотическое давление цитоплазмы, поэтому для сохранения жизнеспособности сферопласты и протопласты помещают в специально осмотически уравновешенные среды, содержащие 5—20% сахарозы и сыворотку лошади. В этих средах они сохраняют округлую форму, а некоторые —даже жгутики. Однако такие протопласты неподвижны вследствие нарушения у них механизмов, управляющих движением жгутиков. Спустя некоторое время после хранения сферопластов и протопластов в растворах сахарозы они начинают разрушаться (лизируются) и в среде появляются мелкие зерна и пустые пузырьки — «тени» протопластов. При определенных условиях сферопласты, частично сохраняющие клеточную стенку, могут размножаться на плотных питательных средах и реверсировать (возвращаться) в исходные формы, что сближает их с нестабильными L-формами бактерий типа В.

L-формы бактерий. При частичном или полном разрушении клеточных стенок многие виды бактерий могут образовывать L-формы. Впервые они были обнаружены Клинебергер-Нобель в 1935 г. Название их происходит от первой буквы института Листера (L), в котором они были открыты.

Характерным для L-форм бактерий является их сходство с микроорганизмами группы плевропневмонии крупного рогатого скота (PPLO), которые отнесены в настоящее время к микоплазмам. Однако L-формы отличает от микоплазм то, что им несвойственна потребность в питательных веществах, в которых нуждаются микоплазмы. Генетически L-формы идентичны исходным формам, из которых они получены. У некоторых из них частично сохранена клеточная стенка (L-формы типа В), поэтому они могут превращаться в исходные формы бактерий. Образование L-форм происходит под «действием пенициллина, который нарушает синтез мукопептидов клеточной стенки. Иногда эти формы возникают спонтанно.

По морфологии L-формы разных видов бактерий и других микроорганизмов (трепонемы, дрожжи) сходны между собой. Они представляют шаровидные, вакуолизи- рованные образования величиной от 1—8 мкм до мельчайших— 250 нм, способных, как и вирусы, проходить через поры фарфоровых фильтров. Однако в отличие от вирусов L-формы можно выращивать на искусственных питательных средах, добавляя к ним пенициллин, сахара, лошадиную сыворотку. При удалении из такой среды пенициллина L-формы (тип В) вновь превращаются в. исходные формы бактерий. Этот процесс называется реверсией. Однако существуют стабильные L-формы бактерий (тип А), возвращение которых к исходной форме затруднено или невозможно. В настоящее время получены L-формы протея, кишечной палочки, холерного вибриона, бруцелл, возбудителей газовой гангрены, столбняка и других микроорганизмов.

Говоря о бактериях, чаще всего мы представляем нечто негативное. А между тем знаем мы о них очень мало. Строение и жизнедеятельность бактерий достаточно примитивны, но это, по предположениям некоторых ученых, самые древнейшие обитатели Земли, и за столько лет они не исчезли и не вымерли. Многие виды таких микроорганизмов человек использует для своего блага, другие же являются причиной серьезных заболеваний и даже эпидемий. Но вред одних бактерий порой не соизмерим с пользой других. Давайте поговорим об этих удивительных микроорганизмах и познакомимся с их строением, физиологией и классификацией.

Царство бактерий

Это безъядерные, чаще всего одноклеточные микроорганизмы. Их открытие в 1676 году - заслуга голландского ученого А. Левенгука, который впервые разглядел крошечные бактерии под лупой микроскопа. А вот изучать их природу, физиологию и роль в жизни человека впервые начал французский химик и микробиолог Луи Пастер в 1850-х годах. Строение бактерии стало активно исследоваться с появлением электронных микроскопов. Ее клетка состоит из цитоплазматической мембраны, рибосомы и нуклеотида. ДНК бактерии сосредоточена в одном месте (нуклеоплазме) и представляет собой клубок из тонких нитей. Цитоплазма отделена от клеточной стенки цитоплазматической мембраной, в ней находятся нуклеотид, различные мембранные системы, клеточные включения. Рибосома бактерии состоит на 60% из РНК, остальное - белок. На фото ниже изображено строение сальмонеллы.

Клеточная стенка и ее компоненты

Бактерии имеют клеточное строение. Стенка клетки обладает толщиной около 20 нм и, в отличие от высших растений, не имеет фибриллярной структуры. Ее прочность обеспечивается специальным покровом, называемым мешком. Он состоит преимущественно из полимерного вещества - муреина. Его компоненты (субъединицы) соединены в определенной последовательности в особые полигликановые тяжи. Они совместно с короткими пептидами образуют макромолекулу, напоминающую сеть. Это и есть муреиновый мешок.

Органы передвижения

Эти микроорганизмы способны к активному передвижению. Осуществляется оно за счет плазматических жгутиков, имеющих винтообразное строение. Бактерии могут передвигаться со скоростью до 200 мкм в секунду и оборачиваться вокруг своей оси за секунду 13 раз. Способность жгутиков к движению обеспечивается специальным сократительным белком - флагеллином (аналог миозина в мышечных клетках).

Размеры они имеют следующие: длина - до 20 мкм, диаметр - 10-20 нм. Каждый жгутик отходит от базального тельца, которое погружено в оболочку клетки бактерии. Органы передвижения могут быть единичными или располагаться целыми пучками, как, например, у спириллы. Количество жгутиков может зависеть от условий внешней среды. Например, Протеус вульгарис при бедном питании имеет всего два субполярных жгутика, тогда как при нормальных условиях развития в пучках их может быть от 2 до 50.

Движение микроорганизмов

Строение бактерии (схема ниже) таково, что она может достаточно активно передвигаться. Движение в большинстве случаев происходит за счет толчка и осуществляется в основном в жидкой или влажной среде. В зависимости от действующего фактора, другими словами - вида внешнего раздражителя, оно может представлять собой:

• хемотаксис - это направленное движение бактерии к питательным веществам или, напротив, от каких-либо токсинов;
• аэротаксис - движение к кислороду (у аэробов) или от него (у анаэробов);
• фототаксис - реакция на свет, проявляющаяся в движении, характерна прежде всего для фототрофов;
• магнитотаксис - реакция на изменения в магнитном поле, объясняется наличием у некоторых микроорганизмов специальных частиц (магнетосом).

Одним из перечисленных способов бактерии, особенности строения клетки которых позволяют им передвигаться, могут создавать скопления в местах с оптимальными условиями для их жизнедеятельности. Кроме жгутиков, некоторые виды имеют многочисленные более тонкие нити - их называют "фимбрии" или "пили", но их функция в достаточной мере еще не изучена. Бактерии, которые не имеют специальных жгутиков, способны к скользящему движению, правда, оно характеризуется очень низкой скоростью: примерно 250 мкм в минуту.

Вторая малочисленная группа бактерий - автотрофы. Они способны синтезировать из неорганических веществ органические, частично могут усваивать атмосферный углекислый газ и являются хемотрофами. Эти бактерии занимают весьма важное место в круговороте химических элементов в природе.

Также существуют две группы настоящих фототрофов. Особенности строения бактерий этой категории заключаются в том, что они содержат вещество (пигмент) бактериохлорофилл, родственное по природе растительному хлорофиллу, а так как у них отсутствует фотосистема II, фотосинтез протекает без выделения кислорода.

Размножение делением

Основной способ размножения - это деление исходной материнской клетки надвое (амитоз). У форм, имеющих вытянутую форму, это всегда происходит перпендикулярно продольной оси. Строение бактерии претерпевает при этом кратковременные изменения: от края клетки к середине образуется поперечная перегородка, по которой затем и разделяется материнский организм. Это объясняет старое название царства - Дробянки. Клетки после деления могут оставаться соединенными в неустойчивые, рыхлые цепочки.

Вот такие можно выделить отличительные особенности строения бактерий некоторых видов, например, стрептококков.

Спорообразование и половое размножение

Второй способ размножения - спорообразование. Оно напрямую сопряжено со стремлением приспособиться к неблагоприятным условиям и направлено на то, чтобы их пережить. У некоторых палочковидных бактерий споры образуются эндогенно, то есть внутри клетки. Они очень устойчивы к нагреванию и могут сохраняться даже при длительном кипячении. Образование спор начинается с различных химических реакций в материнской клетке, при этом разлагается около 75% всех ее белков. Затем происходит деление. При этом образуются две дочерние клетки. Одна из них (меньшая) покрывается толстой оболочкой, которая по объему может занимать до 50% - это и есть спора. Она сохраняет жизнеспособность и готовность к прорастанию в течение 200-300 лет.

Некоторые виды способны к половому размножению. Впервые этот процесс открыли в 1946 году, когда изучали строение клетки бактерии Эшерихия коли. Оказалось, что возможен частичный перенос генетического материала. То есть фрагменты ДНК передаются от одной клетки (донора) к другой (реципиенту) в процессе конъюгации. Осуществляется это при помощи бактериофагов или путем трансформации.

Строение бактерии и особенности ее физиологии таковы, что в идеальных условиях процесс деления происходит постоянно и очень быстро (каждые 20-30 минут). Но в естественной среде он ограничен различными факторами (солнечным светом, питательной средой, температурой и др.).

В основу классификации этих микроорганизмов положено различное строение клеточной стенки бактерий, которое обуславливает сохранение анилинового красителя в клетке или его вымывание. Это было выявлено Х. К. Грамом, а впоследствии, в соответствии с его именем были выделены два больших отдела микроорганизмов, о которых мы поговорим ниже.

Грамположительные бактерии: особенности строения и жизнедеятельности

Эти микроорганизмы имеют многослойный муреиновый покров (30-70% от всей сухой массы клеточной стенки), благодаря чему из клеток не вымывается анилиновый краситель (на фото выше слева схематично изображено строение грамположительной бактерии, а справа - грамограмотрицательной). Их особенностью является и то, что диаминопимелиновая кислота часто заменяется лизином. Содержание белка значительно меньше, а полисахариды отсутствуют или связаны ковалентными связями. Все бактерии этого отдела разделены на несколько групп:

1. Грамположительные кокки. Они представляют собой одиночные клетки или группы по две, четыре и более клеток (до 64), скрепленных между собой целлюлозой. По типу питания это, как правило, облигатные или факультативные анаэробы, например, молочнокислые бактерии из семейства Стрептококковые, но могут быть и аэробы.
2. Неспорообразующие палочки. По названию уже можно понять строение клетки бактерии. К этой группе относят анаэробные или факультативно аэробные молочнокислые виды из семейства Лактобациллы.
3. Спорообразующие палочки. Они представлены всего одним семейством - Клостридии. Это облигатные анаэробы, способные образовывать споры. Многие из них формируют характерные цепочки или нити из отдельных клеток.
4. Коринеморфные микроорганизмы. Внешнее строение клетки бактерии этой группы может значительно меняться. Так, палочки могут становиться булавовидными, короткими, кокками или слабо разветвленными формами. Эндоспоры они не образуют. К ним относятся пропионовокислые, стрептомицетовые бактерии и т. д.
5. Микоплазмы. Если обратить внимание на строение бактерии (схема на рисунке ниже - стрелка указывает на цепочку ДНК), то можно отметить, что она не имеет клеточной стенки (вместо нее есть цитоплазматическая мембрана) и, следовательно, не окрашивается анилиновым красителем, поэтому ее нельзя отнести к данному отделу на основании окрашивания по Граму. Но согласно последним исследованиям микоплазмы произошли от грамположительных микроорганизмов.

Грамотрицательные бактерии: функции, строение

У таких микроорганизмов сеть муреина очень тонкая, ее доля от сухой массы всей клеточной стенки составляет всего лишь 10%, остальная часть - это липопротеины, липополисахариды т. д. Вещества, поступающие при окрашивании по методу Грама, легко вымываются. По типу питания грамотрицательные бактерии - фототрофы или хемотрофы, некоторые виды способны к фотосинтезу. Классификация внутри отдела находится в процессе формирования, различные семейства объединяют в 12 групп, исходя из особенностей морфологии, обмена веществ и других факторов.

Значение бактерий для человека

Несмотря на свою, казалось бы, незаметность, бактерии имеют огромное значение для человека, как положительное, так и отрицательное. Производство многих пищевых продуктов невозможно без участия отдельных представителей этого царства. Строение и жизнедеятельность бактерий позволяют получать нам многие молочные продукты (сыры, йогурты, кефир и многое другое). Эти микроорганизмы участвуют в процессах квашения, брожения.

Многочисленные виды бактерий являются возбудителями болезней у животных и человека, таких как сибирская язва, столбняк, дифтерия, туберкулез, чума и т. д. Но в то же время микроорганизмы участвуют в различных промышленных производствах: это генная инженерия, получение антибиотиков, ферментов и других белков, искусственное разложение отходов (например, метановое сбраживание сточных вод), обогащение металлов. Некоторые бактерии растут на субстратах, богатых нефтепродуктами, и это служит индикатором при поиске и разработке новых месторождений.

В этот самый момент, человек, когда ты читаешь эти строки, ты получаешь пользу от работы бактерий. От кислорода, который мы вдыхаем, до питательных веществ, которые извлекает желудок из еды, нам нужно благодарить бактерий за процветание на этой планете. В нашем организме микроорганизмов, включая бактерий, больше, чем наших собственных клеток примерно в десять раз. По сути, мы больше микробы, чем люди.

Только недавно мы начали понемногу понимать микроскопические организмы и их влияние на нашу планету и здоровье, но история показывает, что много веков назад наши предки уже использовали мощь бактерий, ферментируя продукты питания и напитки (кто-нибудь слышал о хлебе и пиве?).

В 17 веке мы начали изучать бактерий уже непосредственно в наших телах в тесной связи с нами - во рту. Любопытство Антони ван Левенгука позволило обнаружить бактерии, когда он изучал бляшку между его собственными зубами. Ван Левенгук поэтически описал бактерий, обозначив бактериальную колонию на своих зубах как «немного белого вещества, похожего на застывшее тесто». Разместив образец под микроскопом, ван Левенгук увидел, что микроорганизмы движутся. Так они живые!

Вы должны знать, что бактерии сыграли важнейшую роль для Земли, став ключевым моментом в создании пригодного для дыхания воздуха и биологического богатства планеты, которую мы зовем домом.

В этой статье мы предоставим вам общую картину об этих крошечных, но очень влиятельных микроорганизмах. Мы рассмотрим хорошие, плохие и совершенно причудливые способы, которыми бактерии формируют историю человека и окружающей среды. Для начала рассмотрим, чем бактерии отличаются от других видов жизни.

Основы бактерий

Что ж, если бактерии незаметны невооруженному глазу, откуда мы можем знать так много о них?

Ученые разработали мощные микроскопы, чтобы взглянуть на бактерий - их размеры варьируются от одного до нескольких микрон (миллионной части метра) - и выяснить, как они соотносятся с другими формами жизни, растениями, животными, вирусами и грибками.

Как вы, возможно, знаете, клетки - это строительные кирпичики жизни, из них состоят и ткани нашего тела, и дерево, которое растет за окном. Люди, животные и растения обладают клетками с генетической информацией, заключенной в мембране под названием ядро. Эти типы клеток, которые называются эукариотическими, обладают специальными органеллами, каждая из которых выполняет уникальную работу, помогая клетке работать.

Бактерии, однако, не имеют ядер, и их генетический материал (ДНК) свободно плавает внутри клетки. У этих микроскопических клеток нет органелл и они обладают другими методами воспроизводства и передачи генетического материала. Бактерии считаются прокариотическими клетками.

Выживают ли бактерии в среде с кислородом или без

Их форма: палочки (bacillus), круги (cocci) или спирали (spirillum)

Являются ли бактерии грамотрицательными или грамположительными, то есть обладают ли внешней защитной мембраной, препятствующей окрашиванию внутренностей клетки

Как бактерии перемещаются и изучают окружающую среду (у многих бактерий есть жгутики, крошечные плетевидные структуры, которые позволяют им передвигаться в среде)

Микробиология - наука о всех типах микробов, включая бактерии, археи, грибы, вирусы и простейшие - позволяет отличать бактерии от их микробных братьев.

Похожие на бактерии прокариоты, ныне классифицирующиеся как археи, когда-то были вместе с бактериями, но когда ученые узнали о них больше, они предоставили бактериям и археям собственные категории.

Микробное питание (и миазма)

Как и людям, животным и растениям, бактериям нужна пища для выживания.

Некоторые бактерии - автотрофы - используют основные ресурсы вроде солнечного света, воды и химических веществ из окружающей среды для создания пищи (подумайте о цианобактериях, которые превращали солнечный свет в кислород в течение 2,5 миллионов лет). Другие бактерии ученые называют гетеротрофами, потому что они черпают энергию из существующих органических веществ в качестве пищи (к примеру, мертвые листья на лесной почве).

Правда в том, что то, что может быть вкусным для бактерий, будет нам противно. Они развивались, чтобы поглощать все типы продуктов, от разливов нефти и побочных продуктов ядерного распада до человеческих отходов и продуктов разложения.

Но склонность бактерий к конкретному источнику питания может принести пользу обществу. К примеру, специалисты по искусствам из Италии обратились к бактериям, которые могут поедать избыточные слои соли и клея, снижающие долговечность бесценных художественных произведений. Умение бактерий перерабатывать органические вещества также очень полезно для Земли, как в почве, так и в воде.

Исходя из ежедневного опыта, вы хорошо знакомы с запахом, который вызывают бактерии, поглощающие содержимое вашей мусорной корзины, перерабатывая остатки пищи и испуская собственные газообразные побочные продукты. Однако этим все не ограничивается. Вы также можете обвинить бактерии в том, что они вызывают эти неловкие моменты, когда вы сами испускаете газы.

Одна большая семья

Бактерии растут и образуют колонии, когда выпадает шанс. Если еда и экологические условия являются благоприятными, они размножаются и образуют липкие скопления, так называемые биопленки, чтобы выжить на разных поверхностях - от горных пород до зубов вашего рта.

У биопленок есть свои плюсы и минусы. С одной стороны, они взаимовыгодны природным объектам (мутуализм). С другой же - они могут быть серьезной угрозой. К примеру, врачи, которые лечат пациентов с медицинскими имплантатами и устройствами, серьезно озабочены биопленками, поскольку они представляют собой этакую недвижимость для бактерий. После колонизации биопленки могут вырабатывать побочные продукты, которые токсичны - а иногда и смертельны - для человека.

Как и люди в городах, клетки в биопленке сообщаются друг с другом, обмениваются информацией о продуктах питания и потенциальной опасности. Но вместо того, чтобы звонить соседям по телефону, бактерии отправляют записки с помощью химических веществ.

Также бактерии не боятся жить самостоятельно. Некоторые виды разработали интересные способы, чтобы выживать в суровых условиях. Когда еды больше нет, а условия становятся невыносимыми, бактерии консервируют себя, создавая жесткую оболочку - эндоспору, которая помещает клетку в состояние покоя и сохраняет генетический материал бактерии.

Ученые находят бактерии в таких временных капсулах, которые хранились и 100, и даже 250 миллионов лет. Это говорит о том, что бактерии могут самостоятельно храниться в течение длительного времени.

Теперь, когда мы знаем, какие возможности предоставляют колонии бактериям, давайте разберемся, как они попадают туда - путем деления и размножения.

Размножение бактерий

Как бактерии создают колонии? Как и другим формам жизни на Земле, бактериям нужно самокопироваться, чтобы выживать. Другие организмы делают это путем полового размножения, но не бактерии. Но сначала давайте обсудим, почему разнообразие - это хорошо.

Жизнь проходит естественный отбор, ну или селективные силы определенной среды позволяют одному типу процветать и размножаться больше, чем другому. Возможно, вы помните, что гены - это механизм, который инструктирует клетку, что ей делать, и определяет, какого цвета будут ваши волосы и глаза. Вы получаете гены от своих родителей. Половое размножение приводит к мутациям, или случайным изменениям в ДНК, что создает разнообразие. Чем больше генетического разнообразия, тем больше шансов, что организм сможет приспособиться к ограничениям окружающей среды.

Для бактерий воспроизводство не зависит от встречи с правильным микробом; они просто копируют собственную ДНК и делятся на две идентичных клетки. Этот процесс, называемый двоичным делением, происходит, когда одна бактерия делится на две, копируя ДНК и передавая ее обеим частям разделенной клетки.

Поскольку в конечном итоге рожденная клетка будет идентична той, из которой была рождена, такой метод размножения не самый лучший для создания разнообразного генофонда. Как же бактерии приобретают новые гены?

Оказывается, бактерии используют хитрый трюк: горизонтальный перенос генов, или обмен генетическим материалом без воспроизводства. Есть несколько способов, которые используют бактерии для этого. Один способ включает сбор генетического материала из окружающей среды вне клетки - из других микробов и бактерий (через молекулы под названием плазмиды). Другой способ - вирусы, которые используют бактерии в качестве дома. Заражая новую бактерию, вирусы оставляют генетический материал предыдущей бактерии в новой.

Обмен генетическим материалом дает бактериям гибкость к адаптации, и они адаптируются, если чувствуют стрессовые изменения в окружающей среде, такие как нехватка продовольствия или химические изменения.

Понимание того, как адаптируются бактерии, чрезвычайно важно для борьбы с ними и создания антибиотиков в медицине. Бактерии могут обмениваться генетическим материалом так часто, что порой лечение, которое работало раньше, уже не работает.

Ни высоких гор, ни большой глубины

Если задаться вопросом «где бактерии?», проще спросить «где бактерий нет?».

Бактерии обнаруживаются практически везде на Земле. Невозможно представить количество бактерий на планете одновременно, но по некоторым оценкам их число составляет (бактерий и архей вместе) 5 октиллионов - это число с 27 нулями.

Классификация видов бактерий чрезвычайно сложна по понятным причинам. Сейчас есть примерно 30 000 официально идентифицированных видов, но база знаний постоянно растет, и есть мнения, что перед нами только верхушка айсберга от всех видов бактерий.

Правда в том, что бактерии были вокруг на протяжении очень долгого времени. Они породили одни из самых древних окаменелостей, которым 3,5 миллиарда лет. Результаты научных исследований позволяют предположить, что цианобактерии начали создавать кислород примерно 2,3-2,5 миллиарда лет назад в мировом океане, насытив атмосферу Земли кислородом, которым мы дышим по сей день.

Бактерии могут выживать в воздухе, воде, почве, льде, на жаре, на растениях, в кишечнике, на коже - везде.

Некоторые бактерии являются экстремофилами, то есть могут противостоять экстремальным условиям, когда либо очень жарко или холодно, либо отсутствуют питательные вещества и химикаты, которые мы обычно ассоциируем с жизнью. Исследователи обнаружили такие бактерии в Марианской впадине, самой глубокой точке на Земле на дне Тихого океана, возле гидротермальных источников в воде и во льду. Встречаются также бактерии, которые любят высокую температуру - такие, например, окрашивают опалесцирующий бассейн в Йеллоустонском национальном парке.

Плохие (для нас)

Хотя бактерии делают важный вклад в здоровье человека и планеты, у них есть и темная сторона. Некоторые бактерии могут быть патогенными, то есть вызывать заболевания и болезни.

На протяжении истории человечества некоторые бактерии (понятно почему) получили плохую репутацию, вызвав панику и истерию. Взять, к примеру, чуму. Бактерия, вызывающая чуму - чумная палочка Yersinia pestis - не только убила более 100 миллионов человек, но и, возможно, внесла свой вклад в распад Римской империи. До появления антибиотиков, лекарств, которые способствуют борьбе с бактериальными инфекциями, их было очень сложно остановить.

Даже сегодня эти патогенные бактерии серьезно нас пугают. Благодаря выработке устойчивости к антибиотикам, бактерии, вызывающие сибирскую язву, пневмонию, менингит, холеру, сальмонеллез, ангину и прочие болезни, которые еще и остаются рядом с нами, всегда представляют опасность для нас.

Особенно верно это для золотистого стафилококка, бактерии, ответственной за стафилококковые инфекции. Эта «сверхбактерия» приводит к появлению многочисленных проблем в клиниках, поскольку пациенты весьма часто подхватывают эту инфекцию при внедрении медицинских имплантатов и катетеров.

Мы уже говорили о естественном отборе и о том, что некоторые бактерии вырабатывают разнообразные гены, которые помогают им справиться с условиями окружающей среды. Если у вас есть инфекция, и некоторые из бактерий в вашем теле отличаются от других, антибиотики могут поразить большую часть популяции бактерий. Но те бактерии, которые выживут, выработают устойчивость к лекарству и останутся, дожидаясь следующего шанса. Поэтому врачи рекомендуют завершать курс антибиотиков до конца, да и вообще обращаться к ним как можно реже, только в крайнем случае.

Биологическое оружие - еще один пугающий аспект этой беседы. Бактерий можно использовать как оружие в некоторых случаях, в частности, сибирскую язву так и использовали в одно время. Кроме того, не только люди страдают от бактерий. Отдельный вид - Halomonas titanicae - проявил аппетит к затонувшему океанскому лайнеру «Титаник», разъедая металл исторического корабля.

Конечно, бактерии могут приносить не только вред.

Героические бактерии

Давайте изучим хорошую сторону бактерий. В конце концов, эти микробы подарили нам такие вкусные продукты, как сыр, пиво, закваску и другие ферментированные элементы. Они также улучшают здоровье людей и используются в медицине.

Отдельных бактерий можно поблагодарить за формирование человеческой эволюции. Наука собирает все больше данных о микрофлоре - микроорганизмах, которые живут в наших телах, особенно в пищеварительной системе и кишечнике. Исследования показывают, что бактерии, новые генетические материалы и разнообразие, которое они приносят в наши тела, позволяют людям адаптироваться к новым источникам пищи, которые раньше не использовались.

Посмотрим на это с другой стороны: выстилая поверхность вашего желудка и кишечника, бактерии «работают» на вас. Когда вы едите, бактерии и другие микробы помогают вам разбивать и добывать питательные вещества из пищи, особенно углеводы. Чем разнообразнее бактерии, которых мы потребляем, тем больше разнообразия получают наши тела.

Хотя наши знания о наших же микробах весьма скудны, есть основания полагать, что отсутствие некоторых микробов и бактерий в организме может быть связано со здоровьем, метаболизмом и восприимчивости к аллергенам человека. Предварительные исследования на мышах показали, что метаболические заболевания вроде ожирения связаны с разнообразием и здоровой микрофлорой, а не нашей преобладающей точкой зрения «калории приходят, калории уходят».

Сейчас активно исследуются возможности внедрения определенных микробов и бактерий в организм человека, которые могут дать определенные преимущества, однако на момент написания статьи общие рекомендации по их использованию пока не были установлены.

Кроме того, бактерии сыграли важную роль в развитии научной мысли и человеческой медицины. Бактерии сыграли ведущую роль в развитии постулатов Коха 1884 года, которые привели к общему пониманию того, что болезни вызываются определенным видом микробов.

Исследователи, изучавшие бактерии, случайно открыли пенициллин - антибиотик, который спас множество жизней. Также совсем недавно в связи с этим был открыт легкий способ редактировать геном организмов, который может осуществить революцию в медицине.

По сути, мы только начинаем понимать, как извлекать пользу из нашего сожительства с этими маленькими друзьями. К тому же непонятно, кто истинный хозяин Земли: люди или микробы.

Бактерии - одни из самых древних организмов на Земле. Несмотря на простоту своего строения, они живут во всех возможных средах обитания. Больше всего их насчитывается в почве (до нескольких миллиардов бактериальных клеток на 1 грамм почвы). Много бактерий в воздухе, воде, пищевых продуктах, внутри тел и на телах живых организмов. Бактерии были обнаружены в тех местах, где другие организмы жить не могут (на ледниках, в вулканах).

Обычно бактерия - это одна клетка (хотя бывают колониальные формы). Причем эта клетка очень мелкая (от долей мкм до нескольких десятков мкм). Но главной особенностью бактериальной клетки является отсутствие клеточного ядра. Другими словами, бактерии принадлежат прокариотам .

Бактерии бывают подвижными и неподвижными. В случае неподвижных форм передвижение осуществляется с помощью жгутиков. Их может быть несколько, а может быть только один.

Клетки разных видов бактерий могут сильно отличаться между собой по форме. Бывают шаровидные бактерии (кокки ), палочковидные (бациллы ), похожие на запятую (вибрионы ), извитые (спирохеты, спириллы ) и др.

Строение бактериальной клетки

У клеток многих бактерий имеется слизистая капсула . Она выполняет защитную функцию. В частности, защищает клетку от высыхания.

Как и у клеток растений, у бактериальных клеток есть клеточная стенка . Однако, в отличие от растений, ее строение и химический состав несколько иной. Клеточная стенка состоит из слоев сложного углевода. Ее строение таково, что позволяет проникать различным веществам внутрь клетки.

Под клеточной стенкой находится цитоплазматическая мембра н а .

Бактерии относятся к прокариотам, так как в их клетках нет оформленного ядра. Они не имеют и хромосом, характерных для клеток эукариот. В состав хромосомы входит не только ДНК, но и белок. У бактерий же их хромосома состоит только из ДНК и представляет собой кольцевую молекулу. Такой генетический аппарат бактерий называется нуклеоид . Нуклеоид находится прямо в цитоплазме, обычно в центре клетки.

У бактерий нет настоящих митохондрий и ряда других клеточных органелл (комплекса Гольджи, эндоплазматической сети). Их функции выполняют впячивания клеточной цитоплазматической мембраны. Такие впячивания называются мезосомами .

В цитоплазме есть рибосомы , а также различные органические включения : белки, углеводы (гликоген), жиры. Также клетки бактерий могут содержать различные пигменты . В зависимости от наличия тех или иных пигментов или их отсутствия, бактерии могут быть бесцветными, зелеными, пурпурными.

Питание бактерий

Бактерии возникли на заре формирования жизни на Земле. Именно они «открыли» различные способы питания. Лишь потом, с усложнением организмов, четко выделились два крупных царства: Растения и Животные. Они отличаются между собой в первую очередь по способу питания. Растения являются автотрофами, а животные - гетеротрофами. У бактерий же встречаются оба типа питания.

Питание - это способ получения клеткой или организмом необходимых органических веществ. Их можно получить из вне или синтезировать самостоятельно из неорганических веществ.

Автотрофные бактерии

Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. Процесс синтеза требует энергии. В зависимости от того, откуда автотрофные бактерии получают эту энергию их делят на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.

Фотосинтезирующие бактерии используют энергию Солнца, улавливая его излучение. В этом они сходны с растениями. Однако, если у растений в процессе фотосинтеза выделяется кислород, то у большинства фотосинтезирующих бактерий он не выделяется. То есть бактериальный фотосинтез анаэробен. Также зеленый пигмент бактерий отличается от аналогичного пигмента растений и называется бактериохлорофиллом . У бактерий нет хлоропластов. В основном фотосинтезирующие бактерии обитают в водоемах (пресных и соленых).

Хемосинтезирующие бактерии для синтеза органических веществ из неорганических используют энергию различных химических реакций. Энергия выделяется не во всех реакциях, а только в экзотермических. Некоторые такие реакции протекают в бактериальных клетках. Так в нитрифицирующих бактериях протекает реакция окисления аммиака в нитриты и нитраты. Железобактерии окисляют закисное железо в окисное. Водородные бактерии окисляют молекулы водорода.

Гетеротрофные бактерии

Гетеротрофные бактерии не способны синтезировать органические вещества из неорганических. Поэтому вынуждены получать их из окружающей среды.

Бактерии, питающиеся органическими остатками других организмов (в том числе мертвыми телами), называются бактериями-сапрофитами . По-другому их называют бактериями гниения. Таких бактерий много в почве, где они разлагают перегной до неорганических веществ, которые впоследствии используются растениями. Молочнокислые бактерии питаются сахарами, превращая их в молочную кислоту. Маслянокислые бактерии разлагают органические кислоты, углеводы, спирты до масляной кислоты.

Клубеньковые бактерии живут в корнях растений и питаются за счет органических веществ живого растения. Однако они связывают азот из воздуха и обеспечивают им растение. То есть в данном случае имеет место симбиоз. Другие гетеротрофные бактерии-симбионты обитают в пищеварительном аппарате животных, помогая переваривать пищу.

В процессе дыхания происходит разрушение органических веществ с высвобождением энергии. Эта энергия в последствии тратится на различные процессы жизнедеятельности (например, на движение).

Эффективным способом получения энергии является кислородное дыхание. Однако некоторые бактерии могут получать энергию без кислорода. Таким образом, существуют аэробные и анаэробные бактерии.

Аэробным бактериям необходим кислород, поэтому они обитают в местах, где он есть. Кислород участвует в реакции окисления органических веществ до углекислого газа и воды. В процессе такого дыхания бактерии получают относительно большое количество энергии. Такой способ дыхания характерен для подавляющего числа организмов.

Анаэробные бактерии не нуждаются в кислороде для дыхания, поэтому могут обитать в бескислородной среде. Энергию они получают за счет реакции брожения . Данный способ окисления малоэффективен.

Размножение бактерий

В большинстве случаев для бактерий характерно размножение путем деления их клетки надвое. Перед этим происходит удвоение кольцевой молекулы ДНК. Каждая дочерняя клетка получает одну из этих молекул и, следовательно, является генетической копией материнской клетки (клоном). Таким образом, для бактерий характерно бесполое размножение .

В благоприятных условиях (при достаточном количестве питательных веществ и благоприятных условиях окружающей среды) бактериальные клетки делятся очень быстро. Так от одной бактерии за сутки могут образоваться сотни миллионов клеток.

Хотя бактерии размножаются бесполым путем, в ряде случаев у них наблюдается так называемый половой процесс , который протекает в форме конъюгации . При конъюгации две разные бактериальные клетки сближаются, между их цитоплазмами устанавливается связь. Части ДНК одной клетки переходят во вторую, а части ДНК второй клетки - в первую. Таким образом, при половом процессе у бактерий происходит обмен генетической информации. Иногда при этом бактерии обмениваются не участками ДНК, а целыми молекулами ДНК.

Споры бактерий

Подавляющее большинство бактерий в неблагоприятных условиях образуют споры. Споры бактерий - это в основном способ переживания неблагоприятных условий и способ расселения, а не способ размножения.

При образовании споры цитоплазма бактериальной клетки сжимается, а сама клетка покрывается плотной толстой защитной оболочкой.

Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в течении длительного времени и способны переживать очень неблагоприятные условия (крайне высокие и низкие температуры, высыхание).

Когда спора попадает в благоприятные условия, то происходит ее набухание. После этого защитная оболочка сбрасывается, и появляется обычная бактериальная клетка. Бывает, что при этом происходит деление клетки, и образуется несколько бактерий. То есть спорообразование сочетается с размножением.

Значение бактерий

Огромна роль бактерий в круговороте веществ в природе. В первую очередь это относится к бактериям гниения (сапрофитам). Их называют санитарами природы . Разлагая остатки растений и животных, бактерии превращают сложные органические вещества в простые неорганические (углекислый газ, воду, аммиак, сероводород).

Бактерии повышают плодородие почвы, обогащая ее азотом. В нитрифицирующих бактериях протекают реакции, в процессе которых из аммиака образуются нитриты, а из нитритов - нитраты. Клубеньковые бактерии способны усваивать атмосферный азот, синтезируя азотистые соединения. Они живут в корнях растений, образуя клубеньки. Благодаря этим бактериям, растения получают необходимые им азотистые соединения. В основном в симбиоз с клубеньковыми бактериями вступают бобовые растения. После их отмирания почва обогащается азотом. Это нередко используется в сельском хозяйстве.

В желудке жвачных животных бактерии разлагают целлюлозу, что способствует более эффективному пищеварению.

Велика положительная роль бактерий в пищевой промышленности. Многие виды бактерий используются для получения молочнокислых продуктов, сливочного масла и сыра, квашения овощей, а также в виноделии.

В химической промышленности бактерии используются при получении спиртов, ацетона, уксусной кислоты.

В медицине с помощью бактерий получают ряд антибиотиков, ферментов, гормонов и витаминов.

Однако бактерии могут приносить и вред. Они не просто портят продукты питания, но своими выделениями делают их ядовитыми.

Бактерии – мельчайшие живые организмы, которые населяют нашу планету. Чего не имеют крошечные бактерии? Внушительного размера. Заметить их без микроскопа невозможно, но их желание жить поистине поражает. Один тот факт, что бактерии при благоприятных условиях могут сохраняться в «летаргическом сне» сотни лет, вызывает уважение. Какие же особенности строения помогают этим крошкам жить так долго?

Основные черты строения бактериальной клетки

Прокариоты выделены учеными в отдельное царство в силу того, что они имеют специфическое клеточное строение. Сюда относятся:

• бактерии;
• сине-зеленые водоросли;
• риккетсии;
• микоплазмы.

Отсутствие четко оформленных стенок ядра является главной особенностью представителей царства прокариотов. Поэтому центром генетической информации является единственная кольцевая молекула ДНК, которая прикреплена к клеточной мембране.

Чего же еще нет в клеточном строении бактерий?

1. Ядерной оболочки.
2. Митохондрий.
3. Пластид.
4. Рибосомальной ДНК.
5. Эндоплазматического ретикулюма.
6. Комплекса Гольджи.

Однако отсутствие всех этих составляющих не мешает вездесущим микроорганизмам находиться в центре природного обмена веществ. Они фиксируют азот, вызывают брожение, окисляют неорганические вещества.

Надежная защита

Природа позаботилась о том, чтобы обеспечить защиту малышам: снаружи бактериальная клетка окружена плотной оболочкой. Клеточная стенка свободно осуществляет обмен веществ. Она пропускает питательные вещества внутрь и выводит продукты жизнедеятельности наружу.

Оболочка определяет форму тела бактерии:

• шаровидные кокки;
• изогнутые вибрионы;
• палочковидные бациллы;
• спириллы.

Для предохранения от высыхания вокруг клеточной стенки образуется капсула, которая состоит из плотного слоя слизи. Толщина стенок капсулы может превышать диаметр бактериальной клетки в несколько раз. Плотность стенок варьируется в зависимости от условий окружающей среды, в которые попадает бактерия.

Генетический фонд в безопасности

Четко оформленного ядра, которое бы содержало ДНК, у бактерий нет. Но это не значит, что генетическая информация у микроорганизмов без ядерной оболочки имеет хаотичное расположение. Нитевидная двойная спираль ДНК уложена аккуратным клубком в центре клетки.

Молекулы ДНК содержат наследственный материал, который является центром по запуску процессов размножения микроорганизмов. А еще бактерии оснащены, как стенкой, специальной защитной системой, которая помогает отражать атаки вирусных ДНК. Противовирусная система работает на поражение чужеродной ДНК, а вот собственная при этом не повреждается.

Благодаря наследственной информации, которая записана в ДНК, происходит размножение бактерий. Размножаются микроорганизмы делением. Скорость, с которой эти крошки способны делиться, впечатляет: каждые 20 минут их количество увеличивается вдвое! В благоприятных условиях они способны образовывать целые колонии, а вот нехватка питательных веществ негативно влияет на увеличение численности бактерий.

Чем наполнена клетка

Бактериальная цитоплазма является хранилищем питательных веществ. Это густая субстанция, которая снабжена рибосомами. Под микроскопом в цитоплазме можно различить скопления органических и минеральных веществ.

В зависимости от функциональности бактерий количество клеточных рибосом может достигать десятков тысяч. Рибосомы имеют специфическую форму, стенки которой лишены какой-либо симметрии и достигают диаметра 30 нм.

Рибосомы получили своей название благодаря рибонуклеиновым кислотам (РНК). При размножении именно рибосомы воспроизводят генетическую информацию, записанную в ДНК.

Рибосомы стали центром, который руководит процессом биосинтеза белка. Благодаря биосинтезу неорганические вещества превращаются в биологически активные. Процесс проходит в 4 этапа:

1. Транскрипция. Происходит образование рибонуклеиновых кислот из двойных нитей ДНК.
2. Транспортировка. Созданные РНК транспортируют аминокислоты в рибосомы в качестве исходного материала для синтеза белка.
3. Трансляция. Рибосомы сканируют информацию и строят полипептидные цепи.
4. Формирование белка.

Ученые до сих пор не изучили детально строение и функциональность клеточных рибосом у бактерий. Их полная структура еще не известна. Дальнейшая работа в области исследования рибосом даст полную картину о том, как работает молекулярная машина по синтезу белка.

Что не предусмотрено в бактериальной клетке

В отличие от других живых организмов в строении бактериальных клеток не предусмотрены многие клеточные структуры. Но в их цитоплазме присутствуют органоиды, которые с успехом выполняют функции митохондрий или комплекса Гольджи.

Огромное количество митохондрий найдено в эукариотах. Они составляют примерно 25% всего клеточного объема. Митохондрии отвечают за выработку, хранение и распределение энергии. ДНК митохондрий представляют собой циклические молекулы и собраны в специальные кластеры.

Стенки митохондрий состоят из двух мембран:

• наружная, имеющая гладкие стенки;
• внутренняя, от которой вглубь отходят многочисленные кристы.

Прокариоты снабжены своеобразными батарейками, которые, подобно митохондриям, снабжают их энергией. Например, очень интересно ведут себя такие «митохондрии» в дрожжевых клетках. Для успешной жизнедеятельности им нужен углекислый газ. Поэтому в условиях, когда СО2 недостаточно, митохондрии исчезают из тканей.

Под микроскопом можно рассмотреть аппарат Гольджи, который присущ исключительно эукариотам. Впервые он был обнаружен в нервных клетках итальянским ученым Камилло Гольджи в 1898 году. Этот органоид играет роль уборщика, т. е. удаляет из клетки все продукты обмена веществ.

Аппарат Гольджи имеет дисковидную форму, которая состоит из плотных мембранных цистерн, связанных пузырьками.

Функции аппарата Гольджи достаточно разнообразны:

• участие в секреторных процессах;
• формирование лизосом;
• доставка продуктов обмена веществ до клеточной стенки.

Древнейшие жители Земли убедительно доказали, что, несмотря на отсутствие многих клеточных органоидов, они достаточно жизнеспособны. Природа подарила ядерным организмам ядро, митохондрии, аппарат Гольджи, но это совершенно не означает, что маленькие бактерии уступят им свое место под солнцем.