Царство бактерий

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.

Бактерии могут сделать антибиотики бесполезными

Пенициллин был открыт Александром Флемингом в 1928 году. До этого переломного для всего человечества открытия огромное количество людей умирали от бактериального инфицирования организма (особенно во время войн). К смерти могла привести маленькая царапина.

С момента открытия пенициллина началась эра антибиотиков. Благодаря массовому производству подобных препаратов, было спасено огромное количество жизней солдат и мирных жителей во время Второй мировой войны.

Однако тактика выживания бактерий заставляет их разными способами приспосабливаться к новым для них условиям, поэтому угрожающим феноменом, о котором теперь говорят многие авторитетные ученые, является устойчивость патогенных микроорганизмов к антибиотикам.

Промежуток времени от получения нового антибактериального средства до возникновения резистентности к нему у многих варьируется от 1 года до 15 лет. Уже сейчас существуют бактерии, против которых нет эффективного антибиотика.

Образование спор

В неблагоприятных условиях (при недостатке пищи, влаги, резких изменениях температуры) цитоплазма бактериальной клетки, сжимаясь, отходит от материнской оболочки, округляется и образует внутри неё на своей поверхности новую, более плотную оболочку. Такую бактериальную клетку называют спорой (Рис. 5). Споры некоторых бактерий сохраняются очень долго в самых неблагоприятных условиях.

   Рис. 5.

Они выдерживают высушивание, жару и мороз, не погибают даже в кипящей воде. По некоторым данным, споры сохраняются в почвах и горных породах в жизнеспособном состоянии миллионы лет. Споры легко разносятся ветром, водой и т. д. Их много в воздухе и почве. В благоприятных условиях спора прорастает и становится активной бактерией.

Волосатики

Вымойте клубень картофеля, не очищая его от кожуры, нарежьте ломтиками. Натрите ломтики мелом и поместите в чашку Петри. Чашку поставьте в тёплое место с температурой 25–30°С. Через 2–3 суток на поверхности ломтиков образуется плотная морщинистая пленка. Маленький кусочек пленки разотрите в капле воды и рассмотрите под микроскопом бактерии картофельной палочки. Они подвижны, обладают жгутиками и могут образовывать споры.

Для получения культуры сенной палочки положите в колбу с водой немного сена, горлышко колбы закройте ватой и кипятите содержимое в течение 15 мин, чтобы уничтожить другие бактерии, которые могут оказаться в колбе. Сенная палочка при кипячении не погибает.

Полученный настой сена отфильтруйте и на несколько дней поставьте в помещение с температурой 20–25°С. Сенная палочка будет размножаться, и вскоре поверхность настоя покроется пленкой из бактерий.

Стеклянной палочкой перенесите частичку пленки на предметное стекло, накройте покровным стеклом и рассмотрите под микроскопом. Добавьте под покровное стекло каплю метиленовой синьки. На голубом фоне бактерии видны гораздо лучше. Некоторые из них подвижны, а у неподвижных внутри видны блестящие овальные образования. Это споры. 

Почему бактерии рассматриваются в этом курсе?

До середины 20 века бактерии считались низшими растениями. Это происходило потому, что некоторые бактерии способны синтезировать кислород, не способны поглощать целые кусочки пищи, а получают питательные вещества в виде растворов. Таким образом, бактерии имеют сходные с растениями признаки. 

Оболочка клетки

Оболочка бактериальной клетки отличается от растительной либо животной. Таким образом, некоторыми веществами можно нарушить синтез бактериальной оболочки (патогенных бактерий), не нанося вреда организму-хозяину. Вследствие этого клетка не сможет продолжать нормальную жизнедеятельность. Так работают антибиотики (пенициллин).

Появление цианобактерий

Одними из древнейших бактерий являются цианобактерии, или сине-зелёные водоросли (Рис. 6). В породах, образованных 3,5 млрд лет назад, обнаружены продукты их жизнедеятельности – строматолиты. Благодаря цианобактериям в атмосфере начал накапливаться кислород, который 2 млрд лет назад достиг концентраций, достаточных для начала аэробного дыхания.

   Рис. 6.

Появление кислорода в атмосфере (кислородная катастрофа) нанесло серьёзный удар по анаэробным организмам. Они либо вымирают, либо уходят в локально сохранившиеся бескислородные зоны. Общее видовое разнообразие бактерий в это время сокращается.

 источник конспекта — http://interneturok.ru/ru/school/biology/5-klass/tsarstvo-bakterii/stroenie-i-zhiznedeyatelnost-bakteriy

источник презентации — http://ppt4web.ru/biologija/bakterii-ikh-stroenie-i-zhiznedejatelnost.html

источник видео — https://www.youtube.com/watch?v=ny-jXtWIDTA

источник видео — https://www.youtube.com/watch?v=MRoV4aJuNG0

заставка https://www.youtube.com/watch?v=D003CiNfTe0

Естественная защита организма.

В организме животных существует несколько «линий обороны» против патогенных микроорганизмов. Одну из них образуют белые кровяные тельца, фагоцитирующие, т.е. поглощающие, бактерии и вообще чужеродные частицы, другую – иммунная система. Обе они действуют взаимосвязанно.

Иммунная система очень сложна и существует только у позвоночных. Если в кровь животного проникает чужеродный белок или высокомолекулярный углевод, то он становится здесь антигеном, т.е. веществом, стимулирующим выработку организмом «противодействующего» вещества – антитела. Антитело – это белок, который связывает, т.е. инактивирует, специфический для него антиген, часто вызывая его преципитацию (осаждение) и удаление из кровотока. Каждому антигену соответствует строго определенное антитело.

Бактерии, как правило, тоже вызывают образование антител, которые стимулируют лизис, т.е. разрушение, их клеток и делают их более доступными для фагоцитоза. Часто можно заранее иммунизировать индивида, повысив его естественную сопротивляемость бактериальной инфекции.

Кроме «гуморального иммунитета», обеспечиваемого циркулирующими в крови антителами, существует иммунитет «клеточный», связанный со специализированными белыми кровяными тельцами, т.н. T-клетками, которые убивают бактерии при прямом контакте с ними и с помощью токсичных веществ. T-клетки нужны и для активации макрофагов – белых кровяных телец другого типа, также уничтожающих бактерии.

Виды бактерий

В школьных учебниках биологии размещены изображения разных видов бактерий, отличающихся по форме:

1. Кокки – шарообразные организмы, отличающиеся по взаимному расположению. Под микроскопом заметно, что стрептококки представляют цепочку шариков, диплококки живут попарно, стафилококки – скопления произвольной формы. Ряд кокков вызывает различные воспалительные процессы, попадая в организм человека (гонококк, стафилококк, стрептококк). Не все кокки, живущие в организме человека, являются патогенными. Условно патогенные виды принимают участие в формировании защиты организма от внешних воздействий и безопасны при соблюдении баланса флоры.
2. Палочковидные отличаются формой, размером и способностью к спорообразованию. Спорообразующие виды называются бациллами. К бациллам относятся: палочка столбняка, палочка сибирской язвы. Споры – это образования внутри микроорганизма. Споры нечувствительны к химической обработке, их устойчивость к внешним воздействиям – залог сохранения вида. Известно, что споры разрушаются при высокой температуре (выше 120ºС).

Формы палочковидных микробов:

• с заостренными полюсами, как у фузобактерии, входящей в состав нормальной микрофлоры верхних дыхательных путей;
• с утолщенными полюсами, напоминающими булаву, как у коринебактерии – возбудителя дифтерии;
• с закругленными концами, такими как у кишечной палочки, которая необходима для процесса пищеварения;
• с прямыми концами, как у палочки-возбудителя сибирской язвы.

Большинство палочковидных бацилл и бактерий по отношению друг к другу располагаются хаотично. Можно выделить стрептобактерии (стрептобациллы), которые расположены цепочкой, и диплобактерии (диплобациллы), существующие в паре.

3. Спириллы и спирохеты – микроорганизмы извитой формы. Они не образуют спор, очень подвижны. Под микроскопом можно увидеть их быстрые движения. Большинство спирилл безопасны для человека и животных. Это сапрофиты, питаются неживыми субстратами. Исключение составляют виды, вызывающие содоку. Спирохеты более опасны для человека и животных, способны вызывать заболевания кожных покровов, дыхательных путей, ЖКТ. Спириллы отличаются от спирохет меньшим количеством завитков и наличием жгутиков на полюсах.

4. Вибрионы – вибрирующие микробы. При рассмотрении под микроскопом можно увидеть их вибрирующие движения. Микроорганизм меняется в зависимости от условий среды обитания. Вибрионы бывают спиралевидной, палочковидной, нитевидной, шаровидной формы. Самым опасным для человека является вибрион холеры.

Грам(+) и грам (-)

Датский микробиолог Ганс Грам более 100 лет назад провел опыт, после которого все бактерии стали относиться к грамположительным и грамотрицательным. Грамположительные организмы создают с окрашивающим веществом длительную устойчивую связь, которая усиливается при воздействии йода. Грамотрицательные, наоборот, не восприимчивы к красителю, их оболочка прочно защищена.

К грамотрицательным микробам относятся хламидии, риккетсии, к грамположительным – стафилококки, стрептококки, коринебактерии.

Аэробные и анаэробные

Самые примитивные бактерии живут глубоко под водой. Для развития им не нужен доступ к кислороду. Более развитые колонии выбрались на сушу и живут на поверхностях. Для размножения и развития колонии этим микроорганизмам нужен кислород. Учитывая зависимость от кислорода, группы микроорганизмов носят названия аэробных и анаэробных.

Аэробные микроорганизмы нуждаются в кислороде для развития и дыхания:

Облигатные аэробы – эти бактерии свободно живут во внешней среде. В качестве примера можно привести туберкулезную палочку, которая устойчива к окружающей среде, сохраняется в воде до 5 месяцев, а во влажном, теплом и темном помещении до 7 лет.

Микроаэрофилы – этим микробам достаточно 2% содержания кислорода для нормальной жизни и развития. Ими являются стрептококки, вызывающие фарингит, скарлатину и живущие в дыхательных путях. При выращивании микробов в жидкой среде эти организмы скапливаются недалеко от поверхности, там, где содержание кислорода невысокое.

Анаэробные микроорганизмы способны расти и размножаться без кислорода:

• облигатные анаэробы избегают молекулярного кислорода (например, фузобактерии);
• факультативные способны к росту и развитию в присутствии кислорода и без него, это могут быть стрептококки, гонококки;
• аэротолерантные микроорганизмы не используют кислород для развития, хотя растут в присутствии молекулярного кислорода, как бактерии молочнокислого брожения.

Какие бывают бактерии?

Бактерии можно классифицировать по следующим основаниям.

По форме:

• цилиндрические (или палочковидные) (палочки);
• сферические (или шаровидные) (кокки);
• спиральные (или извитые) (спирохеты, спириллы, вибрионы);
• нитевидные и ветвящиеся (железобактерии, серобактерии). Палочковидные бактерии могут образовывать нити с ветвлениями или без. В этом случае они станут ещё и нитевидными (или ветвящимися).

По методу окраски Грама:

• грамположительные (бактерия Bacillus anthracis, которая вызывает сибирскую язву; бактерия Staphylococcus aureus, которая вызывает золотистый стафилококк);
• грамотрицательные (бактерия Yersinia pestis, которая вызывает чуму; бактерия Bordetella pertussis, которая вызывает коклюш).

Бактериолог из Дании Ганс Грам (1853–1938) придумал окрашивать бактерии, чтобы их было лучше видно под микроскопом.

Он понял, что одни бактерии становятся тёмно-фиолетового цвета (грамположительные), другие — красного (грамотрицательные).

Способ окрашивания по Граму позволяет понять, какие инфекции вызывают эти бактерии. А соответственно, и подобрать лечение — определённый антибиотик.

По степени опасности для человека:

• патогенные: которые ведут к болезням;
• условно-патогенные;
• непатогенные.

Последние два вида бактерий (условно-патогенные и непатогенные) могут сосуществовать с человеком, животным или растением и не вызывать инфекций. Но могут и «проснуться». Например, если иммунная система не в лучшей форме.

По углероду, который нужен бактериям для питания:

• аутотрофы: питаются углеродом и не нуждаются в других элементах (например, серобактерии);
• гетеротрофы: питаются уже готовыми органическими веществами и не могут самостоятельно образовать органические вещества из неорганических (например, паразиты).

По необходимости в кислороде:

• аэробы: которым нужен кислород, чтобы существовать (например, стрептококки);
• анаэробы: которым не нужен кислород для сущестования и размножения (например, бактерии Peptostreptococcus и Fusobacterium).

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).

Инструменты биотехнологических процессов

Основными инструментами биотехнологии для получения наиболее эффективных микроорганизмов являются селекция и генная инженерия.

Селекция – направленный отбор высокоэффективных особей в популяции вследствие естественной мутации микроорганизмов.

В природе процесс достаточно длительный, но под действием мутагенных факторов (жесткое излучение, азотистая кислота и др.) может быть значительно ускорен.

Плюсами селекции являются экологичность, натуральность продукта.

Минусами метода следует считать:

• длительность процесса;
• невозможность контролировать направление мутации – определяется по конечному результату.

Одна бактерия способна приносить как пользу, так и вред

Helicobacter Pylori

Некоторые микробы вызывают недуги, другие способны от них защитить, а иногда одна и та же бактерия может и навредить и оказать положительное влияние.

Например, Helicobacter Pylori — когда-то эти бактерии были широко распространены, обитая в телах практически всех людей на Земле, но сейчас они есть лишь у половины человечества. Большинство из этих бактерий не доставляют их «хозяевам» никаких неприятностей, но в некоторых случаях могут способствовать образованию болезненных язв в пищеварительном тракте (за работы по изучению влияния Helicobacter Pylori на возникновение гастрита и язвы желудка и двенадцатиперстной кишки австралийский врач Маршалл Барри в 2005-м году получил Нобелевскую премию).

Победить негативное влияние бактерии можно с помощью антибиотиков, но Блейзер и его коллеги обнаружили, что отсутствие этого микроорганизма может вызвать рефлюкс-эзофагит (повреждение слизистой оболочки) и даже рак пищевода.

Таким образом, некоторые бактерии могут быть как полезными, так и смертельно опасными.

Молочнокислые бактерии

К группе с таким названием относят более 25 видов бактерий. Они имеют преимущественно палочкообразную, реже – шаровидную форму, как показано на фото. Их размер сильно варьируется (от 0,7 до 8,0 мкм) в зависимости от среды обитания. Живут они на листьях и плодах растений, в молочных продуктах. В человеческом организме они представлены во всем желудочно-кишечном тракте – от рта до прямой кишки. В подавляющем большинстве они совсем не вредные для человека. Эти микроорганизмы защищают наш кишечник от гнилостных и патогенных микробов. Свою энергию они получают от процесса молочнокислого брожения. Полезные свойства этих бактерий известны человеку давно. Вот лишь некоторые области их применения:

1. Пищевая промышленность – производство кефира, сметаны, ряженки, сыра; квашение овощей и фруктов; приготовление кваса, теста и т.п.
2. Сельское хозяйство – брожение силоса (силосование) замедляет развитие плесени и способствует лучшей сохранности корма для животных.
3. Народная медицина – лечение ран и ожогов. Вот почему солнечные ожоги рекомендуется смазывать сметаной.
4. Медицина – производство препаратов для восстановления микрофлоры кишечника, женской репродуктивной системы после инфекции; получение антибиотиков и частичного заменителя крови под названием декстран; изготовление препаратов для лечения авитаминозов, желудочно-кишечных заболеваний, для улучшения обменных процессов.

Болезнетворные микроорганизмы

Однако есть бактерии, которые приносят вред другим живым организмам. Болезнетворные микроорганизмы могут вызывать заболевания у растений, животных и человека. Например:

• Сальмонелла вызывает брюшной тиф;
• Шигелла – дизентерию;
• Клостридиум – столбняк и гангрену;
• Туберкулёзная палочка – туберкулёз
• Стафилококки и стрептококки – гноение и т.д.

Пути передачи могут быть разнообразны:

• при чихании, разговоре, кашле от больного человека;
• при физическом контакте;
• при помощи переносчиков (насекомых, грызунов);
• через проникновение в раны.

Многие болезни заканчиваются летальным исходом, из-за своей способности приспосабливаться к лекарствам, бактерии не так просто уничтожить. Современная наука активно борется с болезнетворными микроорганизмами, выпуская новые лекарственные препараты.

Рис. 2. Болезнетворные микрорганизмы.

Изучение физиологии бактерий основал Луи Пастер ещё в 1850-х годах. Его исследования продолжили М. В. Бейеринк и С. Н. Виноградский, которые исследовали значение микроорганизмов в природе.

Генно-модифицированные бактерии и энергия

Генетики работают над вопросом альтернативного источника энергии. Основной задачей является создание химического сырья, а далее топлива как продукта бактериального метаболизма.

Одним из направлений получения человеком энергии от бактерий является работа с генно-модифицированными цианобактериями.

Биологи Тюбингенского университета обнаружили микроорганизмы, обладающие свойствами батарейки и способные как аккумулировать энергию, так и передавать ее другим бактериям.

Энергию, вырабатываемую этими бактериями, человек может использовать для наноприборов.

В Китае построен прибор, в котором бактерии получают водород из ацетатов, при этом внешнего источника энергии у аппарата нет, а сырьем служат дешевые отходы производства. В свою очередь водород является источником энергии для эко-автомобилей.

Микробиологи в университете Южной Каролины обнаружили бактерию, способную вырабатывать энергию, питаясь токсичными отходами, такими проблемными как полихлорированные бифенилы и агрессивные растворители.

Калифорнийские исследователи предложили методику переработки бурых водорослей модифицированной кишечной палочкой, получая на выходе этиловый спирт – прекрасный источник энергии.

Водород, как источник энергии, получили американские ученые при разложении анаэробными бактериями глюкозы.

10 самых опасных микробов для нас

1. Золотистый стафилококк. Считается самым устойчивым к антибиотикам микробом и является возбудителем многих инфекционных заболеваний. Они живут в организме каждого третьего на планете, но представляют угрозу для организма с ослабленным иммунитетом.
2. Salmonella typhi, вызывающая брюшной тиф. Она обладает высокой степенью выживаемости во внешней среде. Так, в воде она остается жизнеспособной до одного месяца, на продуктах до 10 дней. В мире ежегодно из 20 миллионов заболевших брюшным тифом умирает 1% людей.
3. Clostridium tetani является причиной столбняка. Обитает вокруг нас и чрезвычайно живуча в почве и воде. Погибает при длительном кипячении (более 1 часа) и при нагревании 150ºС. При своевременном лечении погибает 20% зараженных, а при позднем обращении к врачу погибает до 80%.
4. Mycobacterium tuberculosis (палочка Коха), вызывающая туберкулез, живущая вокруг нас и передающаяся воздушным путем. Многие штаммы этого микроба устойчивы к медикаментам. Ежегодно приблизительное число зараженных составляет около 450 миллионов человек.
5. T. pallidum, вызывающая венерическое заболевание ─ сифилис. Ввиду того, что зараженные зачастую несвоевременно обращаются к врачу, лечение является долгим и изнурительным.
6. Пневмококки. Его штаммы постоянно мутируют, приспосабливаясь к антибиотикам. Является причиной воспаления легких и других заболеваний дыхательных путей.
7. Кишечная палочка. Является источником многих кишечных заболеваний, заболеваний мочеполовой системы у взрослых и детей. Ввиду высокой скорости размножения и умения приспосабливаться к антибиотикам считается одной из самых опасных для человека.
8. Clostridium Botulinum, вызывающая ботулизм. Ее штаммы распространены повсеместно. 4 кг этого микроба будет достаточно, чтобы убить все живые организмы на планете.
9. Vibrio cholerae, вызывающая холеру. Изучено 140 видов этого возбудителя. Несмотря на то что выведена вакцина против холерного вибриона, она до сих пор является источником эпидемий в южных странах.
10. Helicobacter pylori, обнаруженная не так давно и являющаяся причиной язвенных заболеваний. Ее носителями является около 60% населения планеты. Она способна передаваться через поцелуи, посуду, слюну.

Все перечисленное выше говорит о том, что мир маленьких бактерий, окружающий нас, не только опасен, но и таит в себе много интересного, полезного и удивительного. Бактериальный и животный мир плотно связан между собой и влияют друг на друга. Гипотеза о том, что бактерии правят миром, все больше находит свое подтверждение. Человечеству предстоит провести множество исследований и опытов, чтобы добиться полной гармонии взаимодействия органического мира с миром бактерий.

Классификация бактерий

Клетки бактерий имеют чрезвычайно малые размеры. Поэтому изучение их строения началось только с изобретением электронного микроскопа. Традиционно существует разделение бактерий по форме клетки (Рис. 3).

   Рис. 3.

Различают шарообразные кокки (например, стрептококки, стафилококки), палочковидные бациллы (например, кишечная палочка), изогнутые в виде запятой вибрионы (например, холерный вибрион), спиралевидные спириллы. Очень часто бактерии образуют скопления в виде длинных изогнутых цепочек, групп и пленок.

Некоторые бактерии имеют жгутики – до 1000. Среди бактерий есть подвижные и неподвижные формы. Подвижные передвигаются при помощи жгутиков или скольжением. Многие водные бактерии могут погружаться или всплывать, изменяя свою плотность за счет выделения пузырьков газа.

Бактерии активно передвигаются в направлении, определяемом теми или иными раздражителями. Это явление получило название таксиса. Большинство бактерий бесцветно. Некоторые окрашены в пурпурный или зеленый цвет.

Бактерии были одними из первых живых организмов на Земле. Они появились более 3 млрд лет назад. Поскольку понятие вида к бактериям применимо с трудом, сколько их видов существует, точно не известно. Условно указывают около 10000 видов.