Бактерии - Организменный уровень организации жизни

Общая характеристика прокариот

Надцарство Прокариоты — древнейшая группа организмов, появились на Земле около 3,5 млрд лет назад. К ним относятся одноклеточные организмы с прокармотическим типом строения клеток. Прокариот разделяют на царства Эубактерии и Архебактерии.

Прокариоты многочисленны, они населяют атмосферу (встречаются на высоте до 8 км), гидросферу (обитают как в горячих источниках, так и во льдах). грунт и другие организмы (могут быть возбудителями различных заболеваний или помогать организму-хозяину переваривать пищу). По типу питания различают автотрофов, которые осуществляют фото- или хемосинтез, и гетеротрофов.

Прокариоты всегда играли важную роль в функционировании экосистем и биосферы в целом. Фотосинтезирующие цианобактерии совершили «кислородную революцию» и определили дальнейшую эволюцию жизни на Земле.

Две важнейшие экологические функции прокариот — это фиксация азота и минерализация органических остатков.

Многие бактерии вызывают болезни животных, грибов, растений, нанося значительный ущерб (например, от бактериальных болезней сельскохозяйственных растений гибнет 1/8 урожая). Используются в пищевой промышленности для производства сыров, других кисломолочных продуктов, уксуса. Некоторые бактерии применяются для извлечения металлов, нефти из различных горных пород, при переработке отходов, очистке сточных вод, производстве антибиотиков; широко — в биотехнологии (в частности генной инженерии). Это классические объекты генетики, биохимии, биофизики.

Царство Эубактерии

Эубактерии — многочисленная группа организмов, к которой относятся бактерии, цианобактерии, микоплазмы м др. Обычно имеют небольшие размеры.

По форме клетки делятся на кокки (сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (спиралевидные), вибрионы (короткие палочки, похожие на запятую) и т. д. Бактерии относятся к одноклеточным организмам, но иногда после деления не расходятся, соединяясь клеточными стенками или слизистыми капсулами, формируя колониальные структуры.

Кокки могут образовывать пары (диплококки). цепочки (стрептококки) или кисти (стафилококки) бациллы — нити. Цианобактерии могут образовывать нити (длиной до 1 м), иногда собранные в округлые колонии.

Форма и некоторые типы объединения бактериальных клеток:

А — одиночные кокки; Б — диплококки; В — стрептококки; Г — стафилококки; Д — одиночные бациллы; Е — колониальные бациллы; Ж — вибрионы; З — спириппы; И — спирохеты

Среди эубактерий выделяют автотрофы и гетеротрофы. К фотосинтезу способны цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии. Фотосинтез у них чрезвычайно разнообразен: он происходит при участии хлорофиллов и других пигментов, может сопровождаться выделением свободного О₂ (у цианобактерий). К хемосинтезирующим бактериям относятся нитрифицирующие, водородные, серобактерии и др.

Подавляющее большинство эубактерий — гетеротрофы. Сапротрофы питаются мертвыми организмами и их остатками, участвуют в минерализации органических остатков. Паразиты питаются за счет живых организмов, причиняя им вред. Эндосимбионты живут в других организмах и участвуют в их нормальном обмене веществ.

Аэробам требуется наличие в среде кислорода, облигатные (обязательные) анаэробы живут лишь в его отсутствие, факультативные (необязательные) анаэробы могут существовать в обоих случаях. Кислород используется как для дыхания, так и для хемосинтеза; в бескислородной среде бактерии получают энергию за счет брожения.

Размножаются бесполым путем — бинарным делением. Бактерии способны очень быстро размножаться, это связано с тем, что репликация ДНК и транскрипция у бактерий могут проходить одновременно.

У бактерий зарегистрирован и половой процесс — обмен генетическим материалом между двумя клетками одного вида без увеличения количества особей; обычно клетки обмениваются небольшим участком ДНК.

Половой процесс необходим для рекомбинации генетического материала (повышения изменчивости) у организмов, размножающихся бесполым путем. У бактерий различают три типа полового процесса. При трансформации бактерия поглощает из окружающей среды свободную ДНК, попавшую туда при разрушении других бактерий (или, в условиях эксперимента, введенную исследователем). Фрагменты ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии вирусами (бактериофагами). При конъюгации бактерии соединяются друг с другом временными трубчатыми выростами, через которые ДНК переходит из «мужской» клетки в «женскую». Почти все бактерии содержат мелкие дополнительные кольцевые ДНК — плазмиды, которые могут встраиваться в нуклеоид.

Зачастую плазмиды содержат гены, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, обмен плазмидами (в результате конъюгации) может происходить между различными видами и даже родами бактерий.

При неблагоприятных условиях многие эубактерии превращаются в стойкие к воздействию внешних факторов споры. При их образовании нуклеоид уплотняется, клетка окружается плотной оболочкой-капсулой. Споры могут долго сохраняться в окружающей среде, ожидая благоприятных условий. При появлении воды и источников энергии спора вновь превращается в функционирующую бактерию.

Бактерии

Бактерии — это одноклеточные прокариотические организмы размером 0,5-5 мкм. Они покрыты мембраной, основой которой является липидный бислой, и обычно имеют клеточную стенку, в состав которой входит муреин. Значительная часть бактерий способна к движению, которое обеспечивают жгутики или выделение слизи, а у некоторых бактерий даже изменяется форма клетки. Направление движения может определяться наличием в среде определенных химических веществ, света и т. д.

Тело человека населено многими видами бактерий. Только в ротовой полости человека их около 100 видов. На каждом квадратном миллиметре кожи обитают тысячи особей. Большинство из них безвредны и даже полезны.

Болезнетворные бактерии вызывают различные заболевания животных и растений. В большинстве случаев, они проникают в клетки и разрушают их. Симптомы болезней часто связаны с выделением бактериями токсичных веществ. В организм человека бактерии обычно проникают через повреждения кожи (раны) и слизистые оболочки.

Бактерии, попавшие в организм человека, поглощаются лейкоцитами и обезвреживаются иммунной системой. Для профилактики многих инфекционных заболеваний применяют вакцинацию.

Лечение бактериальных инфекций проводят с помощью антибиотиков и сульфаниламидных препаратов. (Характеристики некоторых бактериальных заболеваний человека представлены в таблице)

Для лечения используются антибиотики — химические вещества, выделяемые бактериями и грибами для подавления роста микроорганизмов. Бактерии вызывают многие заболевания растений: пятнистость, бактериальный ожог, мягкую гниль и т. д.

Открытие антибиотиков в 1929 г. А. Флемингом (пенициллин начали использовать в медицине с 1941 г.) обусловило значительный прогресс в лечении бактериальных инфекций.

Заболевание	Возбудитель	Поражает	Пути заражения	Состав вакцины
Дифтерия	Дифтерийная палочка	Верхние пути (глотка), токсин разносится по всему телу, поражает сердце	Капельная инфекция	Анатоксин
Туберкулез	Туберкулезная палочка (палочка Коха)	Разные органы, главным образом легкие	Капельная инфекция	Живые ослабленные бактерии
Коклюш	Палочка Борде-Жангу	Верхние дыхательные пути, вызывает болезненные приступы кашля	Капельная инфекция	Убитые бактерии
Гонорея	Гонококк	Половые органы, водные пути выделительной системы	Половым путем	Вакцины нет
Сифилис	Бледная спирохета	Половые органы, глаза, кости, суставы, ЦНС, сердце, кожу	Половым путем	Вакцины нет
Столбняк	Столбнячная палочка	Кровь; токсин поражает двигательные нервы спинного мозга	Раневая инфекция	Анатоксин
Холера	Холерный вибрион	Пищеварительный тракт (тонкий кишечник)	Через загрязненную фекалиями воду, продукты, предметы; также переносят мухи	Убитые бактерии
Сальмонеллез	Сальмонелла	Пищеварительный тракт	Через продукты, полученные от зараженных животных (мясо, яйца)	Вакцины нет

Механизм действия разный: часть антибиотиков (пенициллины) нарушают синтез клеточной оболочки, другие (тетрациклин, стрептомицин и др.) нарушают синтез белка. Сульфаниламидные препараты подавляют синтез фолиевой кислоты в бактериальных клетках. Большинство антибиотиков получают в культурах микроорганизмов и только некоторые — путем химического синтеза. На основе природных антибиотиков получено большое количество синтетических (например ампициллин и др.).

Цианобактерии

Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) — фотосинтезирующие эубактерии, выделяющие кислород.

Могут образовывать длинные нити, иногда округлые колонии (носток). У некоторых нитчатых форм есть гетероцисты — крупные клетки, снабженные дополнительными слоями клеточной стенки и системой внутриклеточных мембран. Они служат для фиксации молекулярного азота. Некоторые цианобактерии способны к скользящему движению, которому способствует выделение слизи.

Цианобактерии населяют разнообразные места. В морях и пресных водоемах входят в состав планктона; могут быстро наращивать биомассу и вызывать «цветение» воды, что приводит к гибели других организмов. Среди цианобактерий большое количество наземных видов (живут в капельной влаге). которые широко распространены в почве. Вступают в симбиоз с некоторыми грибами, губками, простейшими, водорослями, мхами.

Цианобактерии:

А — анабена; Б — цилиндРоспермум; В — носток

Микоплазмы

Микоплазмы — мельчайшие бактерии (0,1 мкм). Характеризуются отсутствием клеточной стенки, малым размером генома и неподвижностью.

Широко распространены в природе, некоторые из них ведут сапротрофный образ жизни, другие — паразитируют в организмах животных и растений. У человека микоплазмы вызывают заболевания дыхательных путей, в том числе воспаление легких (пневмонию), а также воспалительные процессы мочеполовой системы. Микоплазмы нечувствительны к антибиотикам, которые подавляют рост бактерий, влияя на их клеточную стенку (например к пенициллину).

Царство Архебактерии

Архебактерии — древнейшая группа клеточных организмов, связанная с предками эукариот, которая существенно отличается от эубактерий. В их клеточной стенке отсутствуют пептидотиканы. С эукариотами архебактерии сближают сходство ремикации, транскрипции и трансляции, наличие в генетическом материке многократно повторяющихся последовательностей, интронов в генах.

Архебактерии часто живут в условиях, непригодных для жизни других организмов: в соленых (до 32% NaCl) и горячих (75-90 °С) источниках, вечной мерзлоте, на больших глубинах океанов и земной коры и т. п.

Микоплазма:

1 — рибосома; 2 — растворимые белки; 3 — клеточная мембрана; 4 — ДНК