Виды бактерий в природе. Бактерии. Откуда берутся бактерии в моче

Рис. 1. Человеческий организм на 90% состоит из микробных клеток. В нем содержится от 500 до 1000 всевозможных видов бактерий или триллионы этих удивительных жильцов, что составляет до 4-х кг совокупного веса.

Рис. 2. Бактерии, населяющие ротовую полость: Streptococcus mutants (зеленый цвет). Bakteroides gingivalis, вызывает периодонтит (сиреневый цвет). Candida albicus (желтый цвет). Вызывает кандидозы кожных покровов и внутренних органов.

Рис. 7. Микобактерии туберкулеза. Бактерии много тысячелетий вызывают заболевания у человека и животных. Туберкулезная палочка крайне устойчива во внешней среде. В 95% случаев передается воздушно-капельным путем. Чаще поражает легкие.

Рис. 8. Возбудитель дифтерии – коринебактерии или палочки Леффлера. Чаще развивается в эпителии слизистого слоя миндалин, реже гортани. Отек гортани и увеличенные лимфоузлы могут привести к асфиксии. Токсин возбудителя фиксируется на мембранах клеток сердечной мышцы, почек, надпочечников и нервных ганглиях и разрушает их.

Рис. 9. Возбудители стафилококковой инфекции. Патогенные стафилококки вызывают обширные поражения кожи и ее придатков, поражения многих внутренних органов, пищевую токсикоинфекцию, энтериты и колиты, сепсис и токсический шок.

Рис. 10. Менингококки – возбудители менингококковой инфекции. До 80% заболевших составляют дети. Инфекция передается воздушно-капельным путем от больных и здоровых носителей бактерий.

Рис. 11. Бордетеллы коклюша.

Рис. 12. Возбудители скарлатины стрептококки pyogenes.

Вредные бактерии микрофлоры воды

Местом обитания множества микробов является вода. В 1 см3 воды можно насчитать до 1 млн. микробных тел. Патогенные микроорганизмы попадают в воду от промышленных предприятий, населенных пунктов и животноводческих ферм. Вода с патогенными микробами может стать источником дизентерии, холеры, брюшного тифа туляремии, лептоспироза и др. Холерный вибрион и могут пребывать в воде достаточно много времени.

Рис. 13. Шигеллы. Возбудители вызывают бактериальную дизентерию. Шигеллы разрушают эпителий слизистой оболочки толстой кишки, вызывая тяжелый язвенный колит. Их токсины поражают миокард, нервную и сосудистую системы.

Рис. 14. . Вибрионы не разрушают клетки слизистого слоя тонкого кишечника, а находится на их поверхности. Выделяют токсин холероген, действие которого приводит к нарушению водно-солевого обмены в связи с чем организм теряет до 30 литров жидкости в сутки.

Рис. 15. Сальмонеллы — возбудители брюшного тифа и паратифов. Поражают эпителий и лимфоидные элементы тонкой кишки. С током крови попадают в костный мозг, селезенку и желчный пузырь, из которого вновь возбудители попадают в тонкий кишечник. В результате иммунного воспаления стенка тонкого кишечника разрывается и возникает перитонит.

Рис. 16. Возбудители туляремии (коккобактерии голубого цвета). Поражают респираторный отдел и кишечник. Обладают особенностью проникать в организм человека через целостные кожные покровы и слизистые глаз, носоглотки, гортани и кишечника. Особенность заболевания – поражение лимфоузлов (первичный бубон).

Рис. 17. Лептоспиры. Поражают капиллярную сеть человека, часто печень, почки и мышцы. Заболевание называют инфекционной желтухой.

Вредные бактерии микрофлоры почвы

Миллиарды «плохих» бактерий живет в почве. В 30-и сантиметровой толще 1-го гектара земли находится до 30-и тонн бактерий. Обладая мощным набором ферментов, занимаются расщеплением белков до аминокислот, тем самым принимают активное участие в процессах гниения. Однако эти бактерии приносят человеку немало неприятностей. Благодаря деятельности этих микробов очень быстро портятся продукты питания. Человек научился предохранять продукты длительного хранения путем стерилизации, засолки, копчения и замораживания. Некоторые виды этих бактерий способны испортить даже засоленные и замороженные продукты. попадают в почву от больных животных и человека. Некоторые виды бактерий и грибов пребывают в почве десятилетия. Этому способствует особенность этих микроорганизмов образовывать споры, которые долгие годы защищают их от неблагоприятных условий внешней среды. Они вызывают самые грозные заболевания – сибирскую язву, ботулизм, и столбняк.

Рис. 18. Возбудитель сибирской язвы. Десятилетия пребывает в почве в спорообразном состоянии. Особо опасная болезнь. Ее второе название – злокачественный карбункул. Прогноз заболевания неблагоприятный.

Рис. 19. Возбудитель ботулизма выделяет сильнейший токсин. 1 мкг этого яда убивает человека. Ботулотоксин поражает нервную систему, глазодвигательные нервы, вплоть до паралича и черепно-мозговые нервы. Смертность от ботулизма достигает 60%.

Рис. 20. Возбудители газовой гангрены очень быстро размножаются в мягких тканях организма без доступа воздуха, вызывая тяжелые поражения. В спорообразном состоянии сохраняется во внешней среде длительное время.

Рис. 21. Гнилостные бактерии.

Рис. 22. Поражение гнилостными бактериями продуктов питания.

Вредные бактерии, поражающие древесину

Ряд бактерий и грибов интенсивно разлагают клетчатку, играя важную санитарную роль. Однако среди них есть бактерии, вызывающие тяжелые заболевания животных. Плесневые грибы разрушают древесину. Деревоокрашивающие грибы окрашивают древесину в разные цвета. Домовой гриб приводит древесину в трухлое состояние. В результате жизнедеятельности этого гриба разрушаются деревянные постройки. Большой ущерб наносит деятельность этих грибов в разрушении животноводческих помещений.

Рис. 23. На фото видно, как домовой гриб разрушил деревянные балки перекрытия.

Рис. 24. Испорченный внешний вид бревен (синева), пораженных деревоокрашивающим грибом.

Рис. 25. Домовой гриб Merulius Lacrimans. а – ватообразная грибница; б – молодое плодовое тело; в – старое плодовое тело; г – старая грибница, шнуры и гниль древесины.

Вредные бактерии в пищевых продуктах

Продукты, обсемененные опасными бактериями, становятся источником кишечных заболеваний: брюшного тифа, сальмонеллеза, холеры, дизентерии и др. Токсины, которые выделяют стафилококки и палочки ботулизма , вызывают токсикоифекции. Сыры и все молочные продукты могут подвергнуться воздействию маслянокислых бактерий , которые вызывают маслянокислое брожение, в результате чего у продуктов появляется неприятный запах и цвет. Уксусные палочки вызывают уксусное брожение, что ведет к прокисанию вина и пива. Бактерии и микрококки, вызывающие гниение, содержат протеолитические ферменты, расщепляющие белки, чем придают продуктам дурно пахнущий запах и горький вкус. Плесенью покрываются продукты в результате поражения плесневыми грибами.

Рис. 26. Хлеб пораженный плесенью.

Рис. 27. Сыp пораженный плесенью и гнилостными бактериями.

Рис. 28. «Дикие дрожжи» Pichia pastoris. Фотография сделана с 600-кратным увеличением. Злостный вредитель пива. Повсеместно встречается в природе.

Вредные бактерии, разлагающие пищевые жиры

Маслянокислые микробы находятся повсюду. 25 их видов вызывают маслянокислое брожение. Жизнедеятельность жирорасщепляющих бактерий приводит к прогорканию масла. Под их воздействием прогоркают семена сои и подсолнечника. Маслянокислое брожение, которое вызывают эти микробы, портят силос, и он плохо поедается скотом. А влажное зерно и сено, пораженное маслянокислыми микробами, самосогревается. Влага, содержащаяся в сливочном масле, является хорошей средой, где размножаются гнилостные бактерии и дрожжевые грибы . Из-за этого масло портится не только снаружи, но и внутри. Если масло хранится долго, то на его поверхности могут поселиться плесневые грибы.

Рис. 29. Икорное масло, пораженное жирорасщепляющими бактериями.

Вредные бактерии, поражающие яйца и яичные продукты

В яйца бактерии и грибы проникают через поры наружной оболочки и ее повреждения. Наиболее чаще яйца инфицируются бактериями сальмонеллами и плесневыми грибами, яичный порошок — сальмонеллами и .

Рис. 30. Испорченные яйца.

Вредные бактерии в баночных консервах

для человека являются токсины ботулиновых палочек и палочек перфрингенс . Их споры проявляют высокую термоустойчивость, что позволяет микробам сохранять жизнедеятельность после пастеризации консервов. Находясь внутри банки, без доступа кислорода, они начинают размножаться. При этом выделяется углекислый газ и водород, от которых банка вздувается. Употребление в пищу такого продукта вызывает тяжелый пищевой токсикоз, который характеризуется крайне тяжелым течением и часто заканчивается смертью больного. Мясные и овощные консервы поражают уксуснокислые бактерии,

Рис. 32. Во вздутых консервах могут находиться ботулиновые палочеки и палочки перфрингенс. Вздувает банку углекислый газ, который выделяют бактерии при размножении.

Вредные бактерии в зерновых продуктах и хлебе

Спорынья и другие плесневые грибы, которые поражают зерна, являются самыми опасными для человека. Токсины этих грибов термоустойчивы и не разрушаются при выпечке. Токсикозы, вызванные употреблением такой продукции, протекают тяжело. Мука, пораженная молочнокислыми бактериями , имеет неприятный вкус и специфический запах, комковатая на вид. Уже испеченный хлеб поражается бациллой субтилис (Вас. subtilis) или «тягучей болезнью». Бациллы выделяют ферменты, расщепляющие хлебный крахмал, что проявляется, вначале, не свойственным хлебу запахом, а потом липкостью и тягучестью хлебного мякиша. Зеленая, белая и головчатая плесень поражают уже испеченный хлеб. Распространяется при этом она по воздуху.

Рис. 33. На фото cпорынья пурпурная. Низкие дозы спорыньи вызывают сильные боли, умственные расстройства и агрессивное поведение. Высокие дозы спорыньи вызывают мучительную смерть. Ее действие связано с сокращением мышц под воздействием алкалоидов гриба.

Рис. 34. Грибница плесени.

Рис. 35. Споры зеленой, белой и головчатой плесени могут попасть из воздуха на уже испеченный хлеб и поразить его.

Вредные бактерии, поражающие фрукты, овощи и ягоды

Фрукты, овощи и ягоды обсеменяют почвенные бактерии, плесневые грибы и дрожжи, которые вызывают кишечные инфекции. Микотоксин патулин, который выделяют грибы рода Penicillium , способен вызывать раковые заболевания у человека. Yersinia enterocolitica вызывает заболевание иерсиниоз или псевдотуберкулез, при котором поражаются кожные покровы, желудочно-кишечный тракт и другие органы и системы.

Рис. 36. Поражение ягод плесневыми грибами.

Рис. 37. Поражение кожи при иерсиниозе.

Вредные бактерии проникают в организм человека с продуктами питания, через воздух, раны и слизистые оболочки. Тяжесть заболеваний, вызванных болезнетворными микробами, зависит от ядов, которые они вырабатывают и токсинов, возникающих при их массовой гибели. В течение тысячелетий они приобрели множество приспособлений, позволяющих им проникать и удерживаться в тканях живого организма и противостоять иммунитету.

Изучить вредное влияние микроорганизмов на организм и разработать профилактические мероприятия – вот задача человека!

Строение

Бактерии - очень мелкие живые организмы. Их можно видеть только под микроскопом с очень сильным увеличением. Все бактерии одноклеточные. Внутреннее строение клетки бактерий не похоже на клетки растений и животных. У них нет ни ядра, ни пластид. Ядерное вещество и пигменты имеются, но в "распыленном" состоянии. Форма разнообразна.

Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой – клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи – капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула – не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.

На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.

Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, - нуклеиновая кислота – ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.

Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.

Образование спор

Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий. Споры – не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях. Споры у бактерий служат для перенесения неблагоприятных условий. Они образуются из внутренней части содержимого клетки. При этом вокруг споры формируется новая, более плотная оболочка. Споры могут переносить очень низкие температуры (до - 273 °С) и очень высокие. Споры не погибают при кипячении воды.

Питание

Многие бактерии имеют хлорофилл и другие пигменты. Они осуществляют фотосинтез, подобно растениям (цианобактерии, пурпурные бактерии). Другие бактерии получают энергию из неорганических веществ - серы, соединений железа и других, но источник углерода, как и при фотосинтезе, - углекислый газ.

Размножение

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее. После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес – 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.

Роль бактерий в природе. Распространение и экология

Бактерии распространены повсеместно: в водоемах, воздухе, почве. В воздухе их меньше всего (но не в местах скопления людей). В водах рек их может быть до 400 000 в 1 см 3 , а в почве - до 1 000 000 000 в 1 г. Бактерии по-разному относятся к кислороду: для одних он необходим, для других губителен. Для большинства бактерий наиболее благоприятны температуры между +4 и +40 °С. Прямой солнечный свет вызывает гибель многих бактерий.

Встречаясь в огромном количестве (число их видов достигает 2500), бактерии играют исключительно важную роль во многих природных процессах. Вместе с грибами и почвенными беспозвоночными животными они участвуют в процессах разложения растительных остатков (опадающие листья, ветки и т.п.) до перегноя. Деятельность сапрофитных бактерий приводит к образованию минеральных солей, которые усваиваются корнями растений. Клубеньковые бактерии, живущие в тканях корней мотыльковых, а также некоторые свободноживущие бактерии обладают замечательной способностью усваивать атмосферный азот, недоступный для растений. Таким образом, бактерии участвуют в круговороте веществ в природе.

Микрофлора почвы. Количество бактерий в почве чрезвычайно велико – сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв. На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков. Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора – один из факторов образования почв. Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, - ризосферной микрофлорой.

Микрофлора водоёмов. Вода – природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается. Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая – 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные. По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.

Микрофлора воздуха. Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий, которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.

Микрофлора организма человека. Тело человека, даже полностью здорового, всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками – прекрасная среда для развития микроорганизмов. Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном шаре. Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце, печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы попадают только во время болезни.

Значение бактерий в жизни человека

Большое значение имеют процессы брожения; так называют в основном разложение углеводов. Так, в результате брожения молоко превращается в кефир и другие продукты; силосование кормов - тоже брожение. Брожение происходит и в кишечнике человека. Без соответствующих бактерий (например, кишечной палочки) кишечник нормально не может функционировать. Гниение, полезное в природе, крайне нежелательно в быту (например, порча мясных продуктов). Не всегда полезно и брожение (например, скисание молока). Чтобы продукты не портились, их солят, сушат, консервируют, держат в холодильниках. Таким образом снижают деятельность бактерий.

Патогенные бактерии

Микроорганизмами (микробами) называют одноклеточные организмы размером менее 0,1 мм, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. К ним относятся бактерии, микроводоросли, некоторые низшие мицелиальные грибы, дрожжи, простейшие (рис. 1). Их изучением занимается микробиология.

Рис. 1. Объекты микробиологии.

На рис. 2. можно увидеть некоторых представителей одноклеточных простейших. Иногда к объектам данной науки относят самые примитивные организмы на Земле — вирусы, не имеющие клеточную структуру и представляющие собой комплексы из нуклеиновых кислот (генетического материала) и белка. Чаще их выделяют в совершенно отдельную область исследования (Вирусологию), так как микробиология скорее направлена на изучение микроскопических одноклеточных.

Рис. 2. Отдельные представители одноклеточных эукариот (простейших).

Такие науки, как альгология и микология, изучающие водоросли и грибы, соответственно, являются отдельными дисциплинами, перекрывающимися с микробиологией в случае исследования микроскопических живых объектов. Бактериология является истинным разделом микробиологии. Данная наука занимается изучением исключительно прокариотных микроорганизмов (рис. 3).

Рис. 3. Схема прокариотической клетки.

В отличие от эукариот, к которым относятся все многоклеточные организмы, а также простейшие, микроскопические водоросли и грибы, у прокариот отсутствует оформленное ядро, содержащее генетический материал и настоящие органоиды (постоянные специализированные структуры клетки) .

К прокариотам относятся истинные бактерии и археи, по современной классификации обозначенные, как домены (надцарства) Archaea и Eubacteria (рис. 4).

Рис. 4. Домены современной биологической классификации.

Особенности строения бактерий

Бактерии являются важным звеном в круговороте веществ в природе, разлагают растительные и животные остатки, очищают загрязненные органикой водоемы, модифицируют неорганические соединения. Без них не могла бы существовать жизнь на земле. Данные микроорганизмы распространены везде, в почве, воде, воздухе, организмах животных и растений.

Бактерии различаются по следующим морфологическим особенностям:

1. Форма клеток (округлые, палочковидные, нитчатые, извитые, спиралевидные, а также различные переходные варианты и звездообразная конфигурация).
2. Наличие приспособлений для движения (неподвижные, жгутиковые, за счет выделения слизи).
3. Сочленение клеток друг с другом (изолированные, сцепленные в виде пар, гранул, ветвящиеся формы).

Среди структур, образуемых округлыми бактериями (кокками) выделяют клетки, находящиеся в паре после деления и затем распадающиеся на одиночные образования (микрококки) или остающиеся все время вместе (диплококки). Квадратичную структуру из четырех клеток образуют тетракокки, цепочку – стрептококки, гранулу из 8-64 единиц – сарцины, грозди – стафилококки.

Палочковидные бактерии представлены многообразием форм вследствие большой изменчивости длинны (0,1-15 мкм) и толщины (0,1-2 мкм) клетки. Форма последних также зависит от способности бактерий к образованию спор – структур с толстой оболочкой, позволяющей переживать микроорганизмам неблагоприятные условия. Клетки с такой способностью называет бациллами, а не обладающие такими свойствами просто палочковидными бактериями.

Особыми видоизменениями палочковидных бактерий являются нитчатые (вытянутые) формы, цепочки и ветвящиеся структуры. Последнюю образуют актиномицеты на определенной стадии развития. «Кривые» палочки называют извитыми бактериями, среди которых выделяют вибрионы; спириллы, имеющие два изгиба (15-20 мкм); спирохеты, напоминающие волнистые линии. Их длины клеток 1-3, 15-20 и 20-30 мкм, соответственно. На рис. 5 и 6 представлены основные морфологические формы бактерий, а также типы расположения споры в клетке.

Рис. 5. Основные формы бактерий.

Рис. 6. Бактерии по типу расположения споры в клетке. 1, 4 – в центре; 2, 3, 5 – концевое расположение; 6 – с боку.

Основные клеточные структуры бактерий: нуклеоид (генетический материал), предназначенные для синтеза белка рибосомы, цитоплазматическая мембрана (часть оболочки клетки), которая у многих представителей дополнительно сверху защищена , капсулой и слизистым чехлом (рис. 7).

Рис. 7. Схема бактериальной клетки.

По классификации бактерий выделяют более 20 типов. Например, экстремально термофильные (любители высоких температур) Aquificae, анаэробные палочковидные бактерии Bacteroidetes. Однако наиболее доминантным типом, включающим в себя многообразных представителей, является Actinobacteria. К нему относятся бифидобактерии, лактобациллы, актиномицеты. Уникальность последних заключается в способности формировать мицелий на определенной стадии развития.

В простонародье это называется грибница. Действительно, разветвления клеток актиномицет напоминают гифы грибов. Несмотря на такую особенность, актиномицеты относят к бактериям, так как они являются прокариотами. Естественно их клетки по особенностям структуры менее сходны с грибами.

Актиномицеты (рис. 8) являются медленно растущими бактериями, поэтому не имеют возможности конкурировать за легкодоступные субстраты. Они способны разлагать вещества, которые другие микроорганизмы не могут использовать в качестве источника углерода, в частности углеводороды нефти. Поэтому актиномицеты интенсивно исследуются в области биотехнологии.

Некоторые представители концентрируется в зонах нефтяных месторождений, и создают специальный бактериальный фильтр, препятствующий проникновению углеводородов в атмосферу. Актиномицеты являются активными продуцентами практически ценных соединений: витаминов, жирных кислот, антибиотиков.

Рис. 8. Представитель актиномицет Nocardia.

Грибы в микробиологии

Объектом микробиологии являются только низшие плесневые грибы (ризопус, мукор, в частности). Как все грибы они не способны синтезировать вещества сами и нуждаются в питательной среде. Мицелий у низших представителей данного царства примитивен, не разделен перегородками. Особую нишу в микробиологических исследованиях занимают дрожжи (рис. 9), отличающиеся отсутствием мицелия.

Рис. 9. Формы колоний дрожжевых культур на питательной среде.

В настоящее время об их полезных свойствах собраны многочисленные знания. Однако дрожжи продолжают исследоваться на способность синтезировать практически ценные органические соединения и активно применяются в качестве модельных организмов при проведении генетических экспериментов. С древних времен дрожжи использовались в бродильных процессах. Метаболизм у разных представителей отличается. Поэтому для какого-то конкретного процесса одни дрожжи больше подходят, чем другие.

Например, Saccharomyces beticus, более устойчивые к высоким концентрациям спирта, используются для создания крепких вин (до 24%). В то время как, дрожжи S. cerevisiae способны вырабатывать более низкие концентрации этанола. По направлениям их применения дрожжи классифицируются на кормовые, пекарские, пивные, спиртовые, винные.

Болезнетворные микроорганизмы

Болезнетворные или патогенные микроорганизмы встречаются повсеместно. Наряду с широко известными вирусами: гриппом, гепатитом, корью, ВИЧ и прочее опасными микроорганизмами являются риккетсии, а также стрепто- и стафилококки, вызывающие заражение крови. Среди палочковидных бактерий много возбудителей заболеваний. Например, дифтерия, туберкулез, брюшной тиф, (рис. 10). Немало опасных для человека представителей микроорганизмов встречается среди простейших, в частности малярийный плазмодий, токсоплазма, лейшмания, лямблия, трихомонада, патогенные амебы.

Рис. 10. Фотография бактерии Bacillus anthracis, вызывающей сибирскую язву.

Многие актиномицеты не опасны для человека и животных. Однако немало патогенных представителей встречается среди микобактерий, вызывающих туберкулез, проказу (лепру). Некоторые актиномицеты инициируют такое заболевание, как актиномикоз, сопровождающийся образованием гранулем, иногда повышением температуры тела. Отдельные виды плесневых грибов способны вырабатывать токсические для человека вещества – микотоксины. Например, некоторые представители рода Aspergillus, Fusarium. Патогенные грибы вызывают группу заболеваний, называемых микозами. Так, кандидоз или, попросту говоря, молочницу вызывают дрожжеподобные грибы (рис. 11). Они всегда содержаться в организме человека, но активизируются только при ослаблении иммунитета.

Рис. 11. Гриб Candida – возбудитель молочницы.

Грибы могут вызывать разнообразные поражения кожи, в частности всевозможные виды лишая, кроме опоясывающего (герпеса), который вызывается вирусом. Дрожжи Malassezia – постоянные обитатели кожи человека при спаде активности иммунной системы могут вызвать . Не стоит сразу бежать мыть руки. Дрожжи и условно патогенные бактерии при хорошем здоровье выполняют важную функцию, препятствуют развитию болезнетворных микроорганизмов.

Вирусы как объект микробиологии

Вирусы – самые примитивные организмы на земле. В свободном состоянии в них не происходят никакие обменные процессы. Только при попадании в клетку-хозяина вирусы начинают размножаться. У всех живых организмов носителем генетического материала является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Только среди вирусов встречаются представители с генетической последовательностью типа рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Часто вирусы не относят к истинно живым организмам.

Морфология вирусов очень разнообразна (рис. 12). Обычно их диаметральные размеры колеблются в пределах 20-300 нм.

Рис. 12. Разнообразие вирусных частиц.

Отдельные представители достигают в длину 1-1,5 мкм. Структура вируса заключается в окружении генетического материала специальным белковым каркасом (капсидом), отличающимся разнообразием форм (спиральный, икосаэдрический, шарообразный). Некоторые вирусы сверху имеют еще оболочку, сформированную из мембраны клетки-хозяина (суперкапсид). Например, (рис. 13) известен как возбудитель заболевания, которое носит название (СПИД). Он содержит в качестве генетического материала РНК, поражает определенный тип клеток иммунной системы (т-лимфоциты хелперы).

Рис. 13. Строение вируса иммунодефицита человека.

Организм бактерии представлен одной единственной клеткой. Формы бактерий разнообразны. Строение бактерий отличается от строения клеток животных и растений.

В клетке отсутствует ядро, митохондрии и пластиды. Носитель наследственной информации ДНК, расположена в центре клетки в свернутом виде. Микроорганизмы, которые не имеют настоящего ядра, относятся к прокариотам. Все бактерии — прокариоты.

Предполагается, что на земле существует свыше миллиона видов этих удивительных организмов. К настоящему времени описано около 10 тыс. видов.

Бактериальная клетка имеет стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму с включениями и нуклеотид. Из дополнительных структур некоторые клетки имеют жгутики, пили (механизм для слипания и удержания на поверхности) и капсулу. При неблагоприятных условиях некоторые бактериальные клетки способны образовывать споры. Средний размер бактерий 0,5-5 мкм.

Внешнее строение бактерий

Рис. 1. Строение бактериальной клетки.

Клеточная стенка

• Клеточная стенка бактериальной клетки является для нее защитой и опорой. Она придает микроорганизму свою, специфическую форму.
• Клеточная стенка проницаема. Через нее проходят питательные вещества внутрь и продукты обмена (метаболизма) наружу.
• Некоторые виды бактерий вырабатывают специальную слизь, которая напоминает капсулу, предохраняющую их от высыхания.
• У некоторых клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают им передвигаться.
• У бактериальных клеток, которые при окрашивании по Граму приобретают розовую окраску (грамотрицательные ), клеточная стенка более тонкая, многослойная. Ферменты, благодаря которым происходит расщепление питательных веществ, выделяются наружу.
• У бактерий, которые при окрашивании по Граму приобретают фиолетовую окраску (грамположительные ), клеточная стенка толстая. Питательные вещества, которые поступают в клетку, расщепляются в периплазматическом пространстве (пространство между клеточной стенкой и мембраной цитоплазмы) гидролитическими ферментами.
• На поверхности клеточной стенки имеются многочисленные рецепторы. К ним прикрепляются убийцы клеток — фаги, колицины и химические соединения.
• Липопротеиды стенки у некоторых видов бактерий являются антигенами, которые называются токсинами.
• При длительном лечении антибиотиками и по ряду других причин некоторые клетки теряют оболочку, но сохраняют способность к размножению. Они приобретают округлую форму — L-форму и могут длительно сохраняться в организме человека (кокки или палочки туберкулеза). Нестабильные L-формы обладают способностью принимать первоначальный вид (реверсия).

Рис. 2. На фото строение бактериальной стенки грамотрицательных бактерий (слева) и грамположительных (справа).

Капсула

При неблагоприятных условиях внешней среды бактерии образуют капсулу. Микрокапсула плотно прилегает к стенке. Ее можно увидеть только в электронном микроскопе. Макрокапсулу часто образуют патогенные микробы (пневмококки). У клебсиеллы пневмонии макрокапсула обнаруживаются всегда.

Рис. 3. На фото пневмококк. Стрелками указана капсула (электронограмма ультратонкого среза).

Капсулоподобная оболочка

Капсулоподобная оболочка представляет собой образование, непрочно связанное с клеточной стенкой. Благодаря бактериальным ферментам капсулоподобная оболочка покрывается углеводами (экзополисахаридами) внешней среды, благодаря чему обеспечивается слипание бактерий с разными поверхностями, даже совершенно гладкими.

Например, стрептококки, попадая в организм человека, способны слипаться с зубами и сердечными клапанами.

Функции капсулы многообразны:

• защита от агрессивных условий внешней среды,
• обеспечение адгезии (слипанию) с клетками человека,
• обладая антигенными свойствами, капсула оказывает токсический эффект при внедрении в живой организм.

Рис. 4. Стрептококки способны слипаться с эмалью зубов и вместе с другими микробами являются причиной кариеса.

Рис. 5. На фото поражение митрального клапана при ревматизме. Причина — стрептококки.

Жгутики

• У некоторых бактериальных клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают передвигаться. В составе жгутиков находится сократительный белок флагелин.
• Количество жгутиков может быть разным — один, пучок жгутиков, жгутики на разных концах клетки или по всей поверхности.
• Движение (беспорядочное или вращательное) осуществляется в результате вращательного движения жгутиков.
• Антигенные свойства жгутиков оказывают токсический эффект при заболевании.
• Бактерии, не имеющие жгутиков, покрываясь слизью, способны скользить. У водных бактерий содержатся вакуоли в количестве 40 — 60, наполненные азотом.

Они обеспечивают погружение и всплытие. В почве бактериальная клетка передвигается по почвенным каналам.

Рис. 6. Схема прикрепления и работы жгутика.

Рис. 7. На фото разные типы жгутиковых микробов.

Рис. 8. На фото разные типы жгутиковых микробов.

Пили

• Пили (ворсинки, фимбрии) покрывают поверхность бактериальных клеток. Ворсинка представляет собой винтообразно скрученную тонкую полую нить белковой природы.
• Пили общего типа обеспечивают адгезию (слипание) с клетками хозяина. Их количество огромно и составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч. С момента прикрепления начинается любой .
• Половые пили способствуют переносу генетического материала от донора реципиенту. Их количество от 1 до 4-х на одну клетку.

Рис. 9. На фото кишечная палочка. Видны жгутики и пили. Фото сделано при помощи туннельного микроскопа (СТМ).

Рис. 10. На фото видны многочисленные пили (фимбрии) у кокков.

Рис. 11. На фото бактериальная клетка с фимбриями.

Цитоплазматическая мембрана

• Цитоплазматическая мембрана располагается под клеточной стенкой и представляет собой липопротеин (до 30% липидов и до 70% протеинов).
• У разных бактериальных клеток разный липидный состав мембран.
• Мембранные белки выполняют множество функций. Функциональные белки представляют собой ферменты, благодаря которым на цитоплазматической мембране происходит синтез разных ее компонентов и др.
• Цитоплазматическая мембрана состоит из 3-х слоев. Двойной фосфолипидный слой пронизан глобулинами, которые обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку. При нарушении ее работы клетка погибает.
• Цитоплазматическая мембрана принимает участие в спорообразовании.

Рис. 12. На фото отчетливо видна тонкая клеточная стенка (КС), цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) и нуклеотид в центре (бактерия Neisseria catarrhalis).

Внутреннее строение бактерий

Рис. 13. На фото строение бактериальной клетки. Строение клетки бактерии отличается от строения клеток животных и растений — в клетке отсутствует ядро, митохондрии и пластиды.

Цитоплазма

Цитоплазма на 75% состоит из воды, остальные 25% приходится на минеральные соединения, белки, РНК и ДНК. Цитоплазма всегда густая и неподвижная. В ней содержатся ферменты, некоторые пигменты, сахара, аминокислоты, запас питательных веществ, рибосомы, мезосомы, гранулы и всевозможные другие включения. В центре клетки концентрируется вещество, которое несет наследственную информацию — нуклеоид.

Гранулы

Гранулы состоят из соединений, которые являются источником энергии и углерода.

Мезосомы

Мезосомы — производные клетки. Имеют разную форму — концентрические мембраны, пузырьки, трубочки, петли и др. Мезосомы имеют связь с нуклеоидом. Участие в делении клетки и спорообразовании — их основное предназначение.

Нуклеоид

Нуклеоид является аналогом ядра. Он расположен в центре клетки. В нем локализована ДНК — носитель наследственной информации в свернутом виде. Раскрученная ДНК достигает в длину 1 мм. Ядерное вещество бактериальной клетки не имеет мембраны, ядрышка и набора хромосом, не делится митозом. Перед делением нуклеотид удваивается. Во время деления число нуклеотидов увеличивается до 4-х.

Рис. 14. На фото срез бактериальной клетки. В центральной части виден нуклеотид.

Плазмиды

Плазмиды представляют собой автономные молекулы, свернутые в кольцо, двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.

Рис. 15. На фото бактериальная плазмида. Фото сделано с помощью электронного микроскопа.

Рибосомы

Рибосомы бактериальной клетки участвуют в синтезе белка из аминокислот. Рибосомы бактериальных клеток не объединены в эндоплазматическую сеть, как у клеток, имеющих ядро. Именно рибосомы часто становятся «мишенью» для многих антибактериальных препаратов.

Включения

Включения — продукты метаболизма ядерных и безъядерных клеток. Представляют собой запас питательных веществ: гликоген, крахмал, сера, полифосфат (валютин) и др. Включения часто при окраске приобретают иной вид, чем цвет красителя. По валютину можно диагностировать .

Формы бактерий

Форма бактериальной клетки и ее размер имеет большое значение при их идентификации (распознании). Самые распространенные формы — шаровидная, палочковидная и извитая.

Таблица 1. Основные формы бактерий.

Шаровидные бактерии

Шаровидные бактерии называют кокками (от греческого coccus — зерно). Располагаются по одному, по двое (диплококки), пакетами, цепочками и как гроздья винограда. Данное расположение зависит от способа деления клетки. Самые вредные микробы — стафилококки и стрептококки.

Рис. 16. На фото микрококки. Бактерии круглые, гладкие, имеют белую, желтую и красную окраску. В природе микрококки распространены повсеместно. Живут в разных полостях человеческого организма.

Рис. 17. На фото бактерии диплококки — Streptococcus pneumoniae.

Рис. 18. На фото бактерии сарцины. Кокковидные бактерии соединяются в пакеты.

Рис. 19. На фото бактерии стрептококки (от греческого «стрептос» — цепочка).

Располагаются цепочками. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.

Рис. 20. На фото бактерии «золотистые» стафилококки. Располагаются, как «гроздья винограда». Скопления имеют золотистую окраску. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.

Палочковидные бактерии

Палочковидные бактерии, образующие споры, называются бациллами. Они имеют цилиндрическую форму. Самым ярким представителем этой группы является бацилла . К бациллам относятся чумные и гемофильные палочки. Концы палочковидных бактерий могут быть заострены, закруглены, обрублены, расширены или расщеплены. Форма самих палочек может быть правильной и неправильной. Они могут располагаться по одной, по две или образовывать цепочки. Некоторые бациллы называют коккобациллами, так как они имеют округлую форму. Но, все же, их длина превышает ширину.

Диплобациллы — сдвоенные палочки. Сибиреязвенные палочки образовывают длинные нити (цепочки).

Образование спор изменяет форму бацилл. В центре бацилл споры образуются у маслянокислых бактериях, придавая им вид веретена. У столбнячных палочек — на концах бацилл, придавая им вид барабанных палочек.

Рис. 21. На фото бактериальная клетка палочковидной формы. Видны множественные жгутики. Фото сделано с помощью электронного микроскопа. Негатив.

Рис. 24. У маслянокислых бацилл споры образуются в центре, придавая им вид веретена. У столбнячных палочек — на концах, придавая им вид барабанных палочек.

Извитые бактерии

Не более одного оборота имеют изгиб клетки . Несколько (два, три и более) — кампилобактерии. Спирохеты имеют своеобразный вид, который отображен в их названии — «спира» — изгиб и «хатэ» — грива. Лептоспиры («лептос» — узкий и «спера» — извилина) представляют собой длинные нити с тесно расположенными завитками. Бактерии напоминают извитую спираль.

Рис. 27. На фото бактериальная клетка спиралеподобной формы — возбудитель «болезни укуса крыс».

Рис. 28. На фото бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.

Рис. 29. На фото бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.

Булавовидные

Булавовидную форму имеют коринебактерии — возбудители дифтерии и листериоза. Такую форму бактерии придает расположение метахроматических зерен на ее полюсах.

Рис. 30. На фото коринебактерии.

Подробно о бактерияx читай в статьях:

Бактерии живут на планете Земля более 3,5 млрд. лет. За это время они многому научились и ко многому приспособились. Суммарная масса бактерий огромна. Она составляет около 500 миллиардов тонн. Бактерии освоили практически все известные биохимические процессы. Формы бактерий разнообразны. Строение бактерий за миллионы лет достаточно усложнилось, но и сегодня они считаются наиболее просто устроенными одноклеточными организмами.

БАКТЕРИИ
обширная группа одноклеточных микроорганизмов, характеризующихся отсутствием окруженного оболочкой клеточного ядра. Вместе с тем генетический материал бактерии (дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК) занимает в клетке вполне определенное место - зону, называемую нуклеоидом. Организмы с таким строением клеток называются прокариотами ("доядерными") в отличие от всех остальных - эукариот ("истинно ядерных"), ДНК которых находится в окруженном оболочкой ядре. Бактерии, ранее считавшиеся микроскопическими растениями, сейчас выделены в самостоятельное царство Monera - одно из пяти в нынешней системе классификации наряду с растениями, животными, грибами и протистами.

Ископаемые свидетельства. Вероятно, бактерии - древнейшая известная группа организмов. Слоистые каменные структуры - строматолиты, - датируемые в ряде случаев началом археозоя (архея), т.е. возникшие 3,5 млрд. лет назад, - результат жизнедеятельности бактерий, обычно фотосинтезирующих, т.н. сине-зеленых водорослей. Подобные структуры (пропитанные карбонатами бактериальные пленки) образуются и сейчас, главным образом у побережья Австралии, Багамских островов, в Калифорнийском и Персидском заливах, однако они относительно редки и не достигают крупных размеров, потому что ими питаются растительноядные организмы, например брюхоногие моллюски. В наши дни строматолиты растут в основном там, где эти животные отсутствуют из-за высокой солености воды или по другим причинам, однако до появления в ходе эволюции растительноядных форм они могли достигать огромных размеров, составляя существенный элемент океанического мелководья, сравнимый с современными коралловыми рифами. В некоторых древних горных породах обнаружены крохотные обугленные сферы, которые также считаются остатками бактерий. Первые ядерные, т.е. эукариотические, клетки произошли от бактерий примерно 1,4 млрд. лет назад.
Экология. Бактерий много в почве, на дне озер и океанов - повсюду, где накапливается органическое вещество. Они живут в холоде, когда столбик термометра чуть превышает нулевую отметку, и в горячих кислотных источниках с температурой выше 90° С. Некоторые бактерии переносят очень высокую соленость среды; в частности, это единственные организмы, обнаруженные в Мертвом море. В атмосфере они присутствуют в каплях воды, и их обилие там обычно коррелирует с запыленностью воздуха. Так, в городах дождевая вода содержит гораздо больше бактерий, чем в сельской местности. В холодном воздухе высокогорий и полярных областей их мало, тем не менее они встречаются даже в нижнем слое стратосферы на высоте 8 км. Густо заселен бактериями (обычно безвредными) пищеварительный тракт животных. Эксперименты показали, что для жизнедеятельности большинства видов они не обязательны, хотя и могут синтезировать некоторые витамины. Однако у жвачных (коров, антилоп, овец) и многих термитов они участвуют в переваривании растительной пищи. Кроме того, иммунная система животного, выращенного в стерильных условиях, не развивается нормально из-за отсутствия стимуляции бактериями. Нормальная бактериальная "флора" кишечника важна также для подавления попадающих туда вредных микроорганизмов.

СТРОЕНИЕ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ

Бактерии гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных. Толщина их обычно составляет 0,5-2,0 мкм, а длина - 1,0-8,0 мкм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов (примерно 0,3 мкм), но известны и виды длиной более 10 мкм и шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий может превышать в длину 50 мкм. На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.
Строение. По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну - спириллы. Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хромосомы - очень длинной кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной в одной точке к клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез (см. также КЛЕТКА). У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь - клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм - заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры - рибосомы, необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами. За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы - важные компоненты мембран эукариотической клетки. Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода. Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают. Жгутики бактерий устроены проще и несколько иначе, чем аналогичные структуры эукариот.

"ТИПИЧНАЯ" БАКТЕРИАЛЬНАЯ КЛЕТКА и ее основные структуры.

Сенсорные функции и поведение. Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких "вкусовых" рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной "вкусовой слепоте". Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды - на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка - Fe3O4). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды. Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую интенсивность стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или изменяют его.
Размножение и генетика. Бактерии размножаются бесполым путем: ДНК в их клетке реплицируется (удваивается), клетка делится надвое, и каждая дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК. Бактериальная ДНК может передаваться и между неделящимися клетками. При этом их слияния (как у эукариот) не происходит, число особей не увеличивается, и обычно в другую клетку переносится лишь небольшая часть генома (полного набора генов), в отличие от "настоящего" полового процесса, при котором потомок получает по полному комплекту генов от каждого родителя. Такой перенос ДНК может осуществляться тремя путями. При трансформации бактерия поглощает из окружающей среды "голую" ДНК, попавшую туда при разрушении других бактерий или сознательно "подсунутую" экспериментатором. Процесс называется трансформацией, поскольку на ранних стадиях его изучения основное внимание уделялось превращению (трансформации) таким путем безвредных организмов в вирулентные. Фрагменты ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии особыми вирусами - бактериофагами. Это называется трансдукцией. Известен также процесс, напоминающий оплодотворение и называемый конъюгацией: бактерии соединяются друг с другом временными трубчатыми выростами (копуляционными фимбриями), через которые ДНК переходит из "мужской" клетки в "женскую". Иногда в бактерии присутствуют очень мелкие добавочные хромосомы - плазмиды, которые также могут переноситься от особи к особи. Если при этом плазмиды содержат гены, обусловливающие резистентность к антибиотикам, говорят об инфекционной резистентности. Она важна с медицинской точки зрения, поскольку может распространяться между различными видами и даже родами бактерий, в результате чего вся бактериальная флора, скажем кишечника, становится устойчивой к действию определенных лекарственных препаратов.

МЕТАБОЛИЗМ

Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии - секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится "на голодном пайке", поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.
Питание. Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы ("сами себя питающие") не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO2). Включая CO2 и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH3), нитраты (NO-3) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты. Гетеротрофы ("питающиеся другим") используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO2) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство прокариот, сходны с человеком.
Главные источники энергии. Если для образования (синтеза) клеточных компонентов используется в основном световая энергия (фотоны), то процесс называется фотосинтезом, а способные к нему виды - фототрофами. Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от того, какие соединения - органические или неорганические - служат для них главным источником углерода. Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H2O). При этом выделяется свободный кислород (1/2O2) и образуется водород (2H+), который, можно сказать, превращает диоксид углерода (CO2) в углеводы. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H2S). В результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным. Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют световую энергию для получения водорода из органических веществ, в частности изопропанола, но его источником у них может служить и газообразный H2. Если основной источник энергии в клетке - окисление химических веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода - органические или неорганические. У первых органика дает как энергию, так и углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ, например водорода (до воды: 2H4 + O2 в 2H2O), железа (Fe2+ в Fe3+) или серы (2S + 3O2 + 2H2O в 2SO42- + 4H+), а углерод - из СO2. Эти организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они "питаются" горными породами.
Дыхание. Клеточное дыхание - процесс высвобождения химической энергии, запасенной в "пищевых" молекулах, для ее дальнейшего использования в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным. В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н. электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к кислороду вместе с ионами водорода - образуется вода. Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой группы он даже ядовит. Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны присоединяются к другим неорганическим акцепторам, например нитрату, сульфату или карбонату, или (при одной из форм такого дыхания - брожении) к определенной органической молекуле, в частности к глюкозе. См. также МЕТАБОЛИЗМ.

КЛАССИФИКАЦИЯ

У большинства организмов видом принято считать репродуктивно изолированную группу особей. В широком смысле это означает, что представители данного вида могут давать плодовитое потомство, спариваясь только с себе подобными, но не с особями других видов. Таким образом, гены конкретного вида, как правило, не выходят за его пределы. Однако у бактерий может происходить обмен генами между особями не только разных видов, но и разных родов, поэтому правомерно ли применять здесь привычные концепции эволюционного происхождения и родства, не вполне ясно. В связи с этой и другими трудностями общепринятой классификации бактерий пока не существует. Ниже приведен один из широко используемых ее вариантов.
ЦАРСТВО MONERA

Тип Gracilicutes (тонкостенные грамотрицательные бактерии)

Класс Scotobacteria (нефотосинтезирующие формы, например миксобактерии) Класс Anoxyphotobacteria (не выделяющие кислорода фотосинтезирующие формы, например пурпурные серные бактерии) Класс Oxyphotobacteria (выделяющие кислород фотосинтезирующие формы, например цианобактерии)

Тип Firmicutes (толстостенные грамположительные бактерии)

Класс Firmibacteria (формы с жесткой клеткой, например клостридии)
Класс Thallobacteria (разветвленные формы, например актиномицеты)

Тип Tenericutes (грамотрицательные бактерии без клеточной стенки)

Класс Mollicutes (формы с мягкой клеткой, например микоплазмы)

Тип Mendosicutes (бактерии с неполноценной клеточной стенкой)

Класс Archaebacteria (древние формы, например метанобразующие)

Домены. Недавние биохимические исследования показали, что все прокариоты четко разделяются на две категории: маленькую группу архебактерий (Archaebacteria - "древние бактерии") и всех остальных, называемых эубактериями (Eubacteria - "истинные бактерии"). Считается, что архебактерии по сравнению с эубактериями примитивнее и ближе к общему предку прокариот и эукариот. От прочих бактерий они отличаются несколькими существенными признаками, включая состав молекул рибосомной РНК (pРНК), участвующей в синтезе белка, химическую структуру липидов (жироподобных веществ) и присутствие в клеточной стенке вместо белково-углеводного полимера муреина некоторых других веществ. В приведенной выше системе классификации архебактерии считаются лишь одним из типов того же царства, которое объединяет и всех эубактерий. Однако, по мнению некоторых биологов, различия между архебактериями и эубактериями настолько глубоки, что правильнее рассматривать архебактерии в составе Monera как особое подцарство. В последнее время появилось еще более радикальное предложение. Молекулярный анализ выявил между двумя этими группами прокариот столь существенные различия в структуре генов, что присутствие их в рамках одного царства организмов некоторые считают нелогичным. В связи с этим предложено создать таксономическую категорию (таксон) еще более высокого ранга, назвав ее доменом, и разделить все живое на три домена - Eucarya (эукариоты), Archaea (архебактерии) и Bacteria (нынешние эубактерии).

ЭКОЛОГИЯ

Две важнейшие экологические функции бактерий - фиксация азота и минерализация органических остатков.
Азотфиксация. Связывание молекулярного азота (N2) с образованием аммиака (NH3) называется азотфиксацией, а окисление последнего до нитрита (NO-2) и нитрата (NO-3) - нитрификацией. Это жизненно важные для биосферы процессы, поскольку растениям необходим азот, но усваивать они могут лишь его связанные формы. В настоящее время примерно 90% (ок. 90 млн. т) годового количества такого "фиксированного" азота дают бактерии. Остальное количество производится химическими комбинатами или возникает при разрядах молний. Азот воздуха, составляющий ок. 80% атмосферы, связывается в основном грамотрицательным родом ризобиум (Rhizobium) и цианобактериями. Виды ризобиума вступают в симбиоз примерно с 14 000 видов бобовых растений (семейство Leguminosae), к которым относятся, например, клевер, люцерна, соя и горох. Эти бактерии живут в т.н. клубеньках - вздутиях, образующихся на корнях в их присутствии. Из растения бактерии получают органические вещества (питание), а взамен снабжают хозяина связанным азотом. За год таким способом фиксируется до 225 кг азота на гектар. В симбиоз с другими азотфиксирующими бактериями вступают и небобовые растения, например ольха. Цианобактерии фотосинтезируют, как зеленые растения, с выделением кислорода. Многие из них способны также фиксировать атмосферный азот, потребляемый затем растениями и в конечном итоге животными. Эти прокариоты служат важным источником связанного азота почвы в целом и рисовых чеков на Востоке в частности, а также главным его поставщиком для океанских экосистем.
Минерализация. Так называется разложение органических остатков до диоксида углерода (CO2), воды (H2O) и минеральных солей. С химической точки зрения, этот процесс эквивалентен горению, поэтому он требует большого количества кислорода. В верхнем слое почвы содержится от 100 000 до 1 млрд. бактерий на 1 г, т.е. примерно 2 т на гектар. Обычно все органические остатки, попав в землю, быстро окисляются бактериями и грибами. Более устойчиво к разложению буроватое органическое вещество, называемое гуминовой кислотой и образующееся в основном из содержащегося в древесине лигнина. Оно накапливается в почве и улучшает ее свойства.

БАКТЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Учитывая разнообразие катализируемых бактериями химических реакций, неудивительно, что они широко используются в производстве, в ряде случаев с глубокой древности. Славу таких микроскопических помощников человека прокариоты делят с грибами, в первую очередь - дрожжами, которые обеспечивают большую часть процессов спиртового брожения, например при изготовлении вина и пива. Сейчас, когда стало возможным вводить в бактерии полезные гены, заставляя их синтезировать ценные вещества, например инсулин, промышленное применение этих живых лабораторий получило новый мощный стимул. См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.
Пищевая промышленность. В настоящее время бактерии применяются этой отраслью в основном для производства сыров, других кисломолочных продуктов и уксуса. Главные химические реакции здесь - образование кислот. Так, при получении уксуса бактерии рода Acetobacter окисляют этиловый спирт, содержащийся в сидре или других жидкостях, до уксусной кислоты. Аналогичные процессы происходят при квашении капусты: анаэробные бактерии сбраживают содержащиеся в листьях этого растения сахара до молочной кислоты, а также уксусной кислоты и различных спиртов.
Выщелачивание руд. Бактерии применяются для выщелачивания бедных руд, т.е. переведения из них в раствор солей ценных металлов, в первую очередь меди (Cu) и урана (U). Пример - переработка халькопирита, или медного колчедана (CuFeS2). Кучи этой руды периодически поливают водой, в которой присутствуют хемолитотрофные бактерии рода Thiobacillus. В процессе своей жизнедеятельности они окисляют серу (S), образуя растворимые сульфаты меди и железа: CuFeS2 + 4O2 в CuSO4 + FeSO4. Такие технологии значительно упрощают получение из руд ценных металлов; в принципе, они эквивалентны процессам, протекающим в природе при выветривании горных пород.
Переработка отходов. Бактерии служат также для превращения отходов, например сточных вод, в менее опасные или даже полезные продукты. Сточные воды - одна из острых проблем современного человечества. Их полная минерализация требует огромных количеств кислорода, и в обычных водоемах, куда принято сбрасывать эти отходы, его для их "обезвреживания" уже не хватает. Решение заключается в дополнительной аэрации стоков в специальных бассейнах (аэротенках): в результате бактериям-минерализаторам хватает кислорода для полного разложения органики, и одним из конечных продуктов процесса в наиболее благоприятных случаях становится питьевая вода. Остающийся по ходу дела нерастворимый осадок можно подвергнуть анаэробному брожению. Чтобы такие водоочистные установки отнимали как можно меньше места и денег, необходимо хорошее знание бактериологии.
Другие пути использования. К другим важным областям промышленного применения бактерий относится, например, мочка льна, т.е. отделение его прядильных волокон от других частей растения, а также производство антибиотиков, в частности стрептомицина (бактериями рода Streptomyces).

БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Бактерии приносят не только пользу; борьба с их массовым размножением, например в пищевых продуктах или в водных системах целлюлозно-бумажных предприятий, превратилась в целое направление деятельности. Пища портится под действием бактерий, грибов и собственных вызывающих автолиз ("самопереваривание") ферментов, если не инактивировать их нагреванием или другими способами. Поскольку главная причина порчи все-таки бактерии, разработка систем эффективного хранения продовольствия требует знания пределов выносливости этих микроорганизмов. Одна из наиболее распространенных технологий - пастеризация молока, убивающая бактерии, которые вызывают, например, туберкулез и бруцеллез. Молоко выдерживают при 61-63° С в течение 30 мин или при 72-73° С всего 15 с. Это не ухудшает вкуса продукта, но инактивирует болезнетворные бактерии. Пастеризовать можно также вино, пиво и фруктовые соки. Давно известна польза хранения пищевых продуктов на холоде. Низкие температуры не убивают бактерий, но не дают им расти и размножаться. Правда, при замораживании, например, до -25° С численность бактерий через несколько месяцев снижается, однако большое количество этих микроорганизмов все же выживает. При температуре чуть ниже нуля бактерии продолжают размножаться, но очень медленно. Их жизнеспособные культуры можно хранить почти бесконечно долго после лиофилизации (замораживания - высушивания) в среде, содержащей белок, например в сыворотке крови. К другим известным методам хранения пищевых продуктов относятся высушивание (вяление и копчение), добавка больших количеств соли или сахара, что физиологически эквивалентно обезвоживанию, и маринование, т.е. помещение в концентрированный раствор кислоты. При кислотности среды, соответствующей pH 4 и ниже, жизнедеятельность бактерий обычно сильно тормозится или прекращается.

БАКТЕРИИ И БОЛЕЗНИ

ИЗУЧЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Многие бактерии нетрудно выращивать в т.н. культуральной среде, в состав которой могут входить мясной бульон, частично переваренный белок, соли, декстроза, цельная кровь, ее сыворотка и другие компоненты. Концентрация бактерий в таких условиях обычно достигает примерно миллиарда на кубический сантиметр, в результате чего среда становится мутной. Для изучения бактерий необходимо уметь получать их чистые культуры, или клоны, представляющие собой потомство одной-единственной клетки. Это нужно, например, для определения того, какой вид бактерии инфицировал больного и к какому антибиотику данный вид чувствителен. Микробиологические образцы, например, взятые из горла или ран мазки, пробы крови, воды или других материалов, сильно разводят и наносят на поверхность полутвердой среды: на ней из отдельных клеток развиваются округлые колонии. Отверждающим культуральную среду агентом обычно служит агар - полисахарид, получаемый из некоторых морских водорослей и почти ни одним видом бактерий не перевариваемый. Агаровые среды используют в виде "косячков", т.е. наклонных поверхностей, образующихся в стоящих под большим углом пробирках при застывании расплавленной культуральной среды, или в виде тонких слоев в стеклянных чашках Петри - плоских круглых сосудах, закрываемых такой же по форме, но чуть большей по диаметру крышкой. Обычно через сутки бактериальная клетка успевает размножиться настолько, что образует легко заметную невооруженным глазом колонию. Ее можно перенести на другую среду для дальнейшего изучения. Все культуральные среды должны быть перед началом выращивания бактерий стерильными, а в дальнейшем следует принимать меры против поселения на них нежелательных микроорганизмов. Чтобы рассмотреть выращенные таким способом бактерии, прокаливают на пламени тонкую проволочную петлю, прикасаются ею сначала к колонии или мазку, а затем - к капле воды, нанесенной на предметное стекло. Равномерно распределив взятый материал в этой воде, стекло высушивают и два-три раза быстро проводят над пламенем горелки (сторона с бактериями должна быть обращена вверх): в результате микроорганизмы, не повреждаясь, прочно прикрепляются к субстрату. На поверхность препарата капают краситель, затем стекло промывают в воде и вновь сушат. Теперь можно рассматривать образец под микроскопом. Чистые культуры бактерий идентифицируют главным образом по их биохимическим признакам, т.е. определяют, образуют ли они из определенных сахаров газ или кислоты, способны ли переваривать белок (разжижать желатину), нуждаются ли для роста в кислороде и т.д. Проверяют также, окрашиваются ли они специфическими красителями. Чувствительность к тем или иным лекарственным препаратам, например антибиотикам, можно выяснить, поместив на засеянную бактериями поверхность маленькие диски из фильтровальной бумаги, пропитанные данными веществами. Если какое-либо химическое соединение убивает бактерии, вокруг соответствующего диска образуется свободная от них зона.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .