Co to są bakterie i czym się zajmują?
Bakterie to mikroskopijne, jednokomórkowe organizmy, które istnieją w milionach, w każdym środowisku, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz innych organizmów.
Niektóre bakterie są szkodliwe, ale większość służy pożytecznym celom. Wspierają wiele form życia, zarówno roślinnych, jak i zwierzęcych, są wykorzystywane w procesach przemysłowych i leczniczych.
Uważa się, że bakterie były pierwszymi organizmami, które pojawiły się na Ziemi około 4 miliardy lat temu. Najstarsze znane skamieniałości to organizmy podobne do bakterii.
Bakterie mogą wykorzystywać większość związków organicznych i niektórych nieorganicznych jako pożywienie, a niektóre mogą przetrwać ekstremalne warunki.
Rosnące zainteresowanie funkcją mikrobiomu jelitowego rzuca nowe światło na rolę, jaką bakterie odgrywają w zdrowiu człowieka.
Co to są bakterie?
Bakterie to organizmy jednokomórkowe.
Bakterie to organizmy jednokomórkowe, które nie są ani roślinami, ani zwierzętami.
Zwykle mierzą kilka mikrometrów długości i żyją razem w milionowych społecznościach.
Gram gleby zawiera zazwyczaj około 40 milionów komórek bakteryjnych. Mililitr świeżej wody zwykle zawiera około miliona komórek bakteryjnych.
Szacuje się, że na Ziemi znajduje się co najmniej 5 nielionów bakterii, a większość biomasy Ziemi składa się z bakterii.
Rodzaje
Istnieje wiele różnych rodzajów bakterii. Jednym ze sposobów ich klasyfikacji jest kształt. Istnieją trzy podstawowe kształty.
- Kulisty: Bakterie w kształcie kulki nazywane są ziarniakami, a pojedyncza bakteria to kokos. Przykłady obejmują grupę paciorkowców odpowiedzialnych za „paciorkowce gardła”.
- W kształcie pręta: są znane jako pałeczki (pojedyncze pałeczki). Niektóre bakterie w kształcie pręcików są zakrzywione. Są one znane jako wibrio. Przykłady bakterii w kształcie pałeczek obejmują Bacillus anthracis (B. anthracis) lub wąglika.
- Spirala: są znane jako spirilla (liczba pojedyncza spirillus). Jeśli ich zwój jest bardzo ciasny, nazywane są krętkami. Leptospirozę, boreliozę i kiłę wywołują bakterie o tym kształcie.
W każdej grupie kształtów istnieje wiele odmian.
Struktura
Komórki bakteryjne różnią się od komórek roślinnych i zwierzęcych. Bakterie są prokariotami, co oznacza, że nie mają jądra komórkowego.
Komórka bakteryjna obejmuje:
- Kapsułka: warstwa znajdująca się na zewnątrz ściany komórkowej u niektórych bakterii.
- Ściana komórkowa: warstwa wykonana z polimeru zwanego peptydoglikanem. Ściana komórkowa nadaje bakteriom kształt. Znajduje się poza błoną plazmatyczną. Ściana komórkowa jest grubsza u niektórych bakterii, zwanych bakteriami Gram-dodatnimi.
- Błona plazmatyczna: znajdująca się w ścianie komórkowej, wytwarza energię i transportuje chemikalia. Membrana jest przepuszczalna, co oznacza, że mogą przez nią przechodzić substancje.
- Cytoplazma: galaretowata substancja wewnątrz błony komórkowej, która zawiera materiał genetyczny i rybosomy.
- DNA: zawiera wszystkie instrukcje genetyczne wykorzystywane w rozwoju i funkcjonowaniu bakterii. Znajduje się wewnątrz cytoplazmy.
- Rybosomy: tutaj powstają lub syntetyzowane są białka. Rybosomy to złożone cząstki zbudowane z granulek bogatych w RNA.
- Wici: służy do poruszania się, do napędzania niektórych rodzajów bakterii. Istnieją bakterie, które mogą mieć więcej niż jedną.
- Pili: Te przypominające włosy wyrostki na zewnątrz komórki pozwalają jej przylegać do powierzchni i przenosić materiał genetyczny do innych komórek. Może to przyczynić się do rozprzestrzeniania się chorób u ludzi.
Karmienie
Bakterie żywią się na różne sposoby.
Bakterie heterotroficzne, czyli heterotrofy, czerpią energię z konsumpcji węgla organicznego. Większość absorbuje martwy materiał organiczny, taki jak rozkładające się mięso. Niektóre z tych pasożytniczych bakterii zabijają żywiciela, a inne pomagają im.
Bakterie autotroficzne (lub po prostu autotrofy) wytwarzają własne pożywienie, albo poprzez:
- fotosynteza z wykorzystaniem światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla lub
- chemosynteza przy użyciu dwutlenku węgla, wody i chemikaliów, takich jak amoniak, azot, siarka i inne
Bakterie wykorzystujące fotosyntezę nazywane są fotoautotrofami. Niektóre typy, na przykład cyjanobakterie, wytwarzają tlen. Prawdopodobnie odegrały one istotną rolę w tworzeniu tlenu w ziemskiej atmosferze. Inne, takie jak heliobakterie, nie wytwarzają tlenu.
Te, które wykorzystują chemosyntezę, są znane jako chemoautotrofy. Bakterie te są powszechnie spotykane w otworach wentylacyjnych oceanu i korzeniach roślin strączkowych, takich jak lucerna, koniczyna, groch, fasola, soczewica i orzeszki ziemne.
Gdzie oni żyją?
Bakterie można znaleźć w glebie, wodzie, roślinach, zwierzętach, odpadach radioaktywnych, głęboko w skorupie ziemskiej, arktycznym lodzie i lodowcach oraz gorących źródłach. Bakterie występują w stratosferze, na wysokości od 6 do 30 mil w atmosferze oraz w głębinach oceanów na głębokości do 32800 stóp lub 10 000 metrów.
Tlenowce lub bakterie tlenowe mogą rosnąć tylko tam, gdzie jest tlen. Niektóre typy mogą powodować problemy dla środowiska ludzkiego, takie jak korozja, zanieczyszczenie, problemy z przejrzystością wody i brzydkie zapachy.
Beztlenowce lub bakterie beztlenowe mogą rosnąć tylko wtedy, gdy nie ma tlenu. U ludzi dzieje się to głównie w przewodzie pokarmowym. Mogą również powodować gazy, gangrenę, tężec, botulizm i większość infekcji zębów.
Fakultatywne beztlenowce lub fakultatywne bakterie beztlenowe mogą żyć z tlenem lub bez, ale preferują środowiska, w których jest tlen. Występują głównie w glebie, wodzie, roślinności i normalnej florze ludzi i zwierząt. Przykłady obejmują Salmonella.
Bakterie mezofilne, czyli bakterie mezofilne, są bakteriami odpowiedzialnymi za większość zakażeń u ludzi. Rozkwitają w umiarkowanych temperaturach, około 37 ° C. To jest temperatura ludzkiego ciała.
Przykłady obejmują Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, i Clostridium kluyveri.
Ludzka flora jelitowa lub mikrobiom jelitowy zawiera pożyteczne bakterie mezofilne, takie jak pokarmowe Lactobacillus acidophilus.
Ekstremofile lub bakterie ekstremofilne mogą wytrzymać warunki uważane za zbyt ekstremalne dla większości form życia.
Termofile mogą żyć w wysokich temperaturach, do 75 do 80 ° C, a hipertermofile mogą przetrwać w temperaturach do 113 ° C.
Głęboko w oceanie bakterie żyją w całkowitej ciemności dzięki otworom termicznym, gdzie zarówno temperatura, jak i ciśnienie są wysokie. Wytwarzają własne pożywienie, utleniając siarkę pochodzącą z głębi ziemi.
Inne ekstremofile obejmują:
- halofile, występujące tylko w słonym środowisku
- acidofile, z których niektóre żyją w środowiskach tak kwaśnych jak pH 0
- alkalifile, żyjące w środowisku zasadowym do pH 10,5
- psychrofile, występujące w niskich temperaturach, na przykład w lodowcach
Ekstremofile mogą przetrwać tam, gdzie żaden inny organizm nie może.
Powielanie i transformacja
Bakterie mogą się rozmnażać i zmieniać za pomocą następujących metod:
- Rozszczepienie binarne: bezpłciowa forma rozmnażania, w której komórka rośnie, aż nowa ściana komórkowa przerośnie środek, tworząc dwie komórki. Te oddzielają się, tworząc dwie komórki z tym samym materiałem genetycznym.
- Transfer materiału genetycznego: komórki pozyskują nowy materiał genetyczny poprzez procesy znane jako koniugacja, transformacja lub transdukcja. Te procesy mogą sprawić, że bakterie będą silniejsze i bardziej odporne na zagrożenia, takie jak antybiotyki.
- Zarodniki: gdy niektóre rodzaje bakterii mają mało zasobów, mogą tworzyć zarodniki. Zarodniki zawierają materiał DNA organizmu i zawierają enzymy potrzebne do kiełkowania. Są bardzo odporne na stresy środowiskowe. Zarodniki mogą pozostawać nieaktywne przez wieki, aż do pojawienia się odpowiednich warunków. Wtedy mogą się reaktywować i stać się bakteriami.
- Zarodniki mogą przetrwać okresy stresu środowiskowego, w tym promieniowania ultrafioletowego (UV) i gamma, wysuszenia, głodu, narażenia chemicznego i skrajnych temperatur.
Niektóre bakterie wytwarzają przetrwalniki lub wewnętrzne zarodniki, podczas gdy inne wytwarzają egzospory, które są uwalniane na zewnątrz. Są to cysty.
Clostridium jest przykładem bakterii tworzącej endospory. Istnieje około 100 gatunków Clostridium, włącznie z Clostridium botulinim (C. botulinim) lub zatrucie jadem kiełbasianym, odpowiedzialne za potencjalnie śmiertelny rodzaj zatrucia pokarmowego, oraz Clostridium difficile (C. Trudne), który powoduje zapalenie okrężnicy i inne problemy jelitowe.
Używa
Bakterie są często uważane za złe, ale wiele z nich jest pomocnych. Bez nich nie istnielibyśmy. Tlen, którym oddychamy, powstał prawdopodobnie w wyniku działania bakterii.
Przeżycie człowieka
Wiele bakterii w organizmie odgrywa ważną rolę w przetrwaniu człowieka. Bakterie w układzie pokarmowym rozkładają składniki odżywcze, takie jak złożone cukry, na formy, które organizm może wykorzystać.
Bakterie inne niż niebezpieczne pomagają również zapobiegać chorobom, zajmując miejsca, do których bakterie chorobotwórcze lub wywołujące chorobę chcą się przyczepić. Niektóre bakterie chronią nas przed chorobami, atakując patogeny.
Wiązanie azotu
Bakterie po śmierci pobierają azot i uwalniają go do użytku roślinnego. Rośliny do życia potrzebują azotu w glebie, ale same nie mogą tego zrobić. Aby to zapewnić, wiele nasion roślin ma mały pojemnik z bakteriami, który jest używany podczas kiełkowania rośliny.
Technologia żywności
Bakterie kwasu mlekowego, takie jak Lactobacillus i Lactococcus razem z drożdżami i pleśniami lub grzybami są używane do przygotowywania potraw, takich jak ser, sos sojowy, natto (sfermentowana soja), ocet, jogurt i marynaty.
Fermentacja jest nie tylko przydatna do konserwowania żywności, ale niektóre z tych produktów mogą przynosić korzyści zdrowotne.
Na przykład niektóre sfermentowane pokarmy zawierają rodzaje bakterii, które są podobne do tych związanych ze zdrowiem przewodu pokarmowego. Niektóre procesy fermentacyjne prowadzą do powstania nowych związków, takich jak kwas mlekowy, które wydają się mieć działanie przeciwzapalne.
Potrzebne są dalsze badania, aby potwierdzić korzyści zdrowotne fermentowanej żywności.
Bakterie w przemyśle i badaniach
Bakterie mogą rozkładać związki organiczne. Jest to przydatne w przypadku czynności takich jak przetwarzanie odpadów i usuwanie wycieków oleju i odpadów toksycznych.
Przemysł farmaceutyczny i chemiczny wykorzystuje bakterie do produkcji niektórych chemikaliów.
Bakterie są wykorzystywane w biologii molekularnej, biochemii i badaniach genetycznych, ponieważ mogą szybko rosnąć i są stosunkowo łatwe w manipulowaniu. Naukowcy wykorzystują bakterie do badania działania genów i enzymów.
Do produkcji antybiotyków potrzebne są bakterie.
Bacillus thuringiensis (Bt) to bakteria, którą można stosować w rolnictwie zamiast pestycydów. Nie ma niepożądanych skutków dla środowiska związanych ze stosowaniem pestycydów.
Zagrożenia
Niektóre rodzaje bakterii mogą powodować choroby u ludzi, takie jak cholera, błonica, czerwonka, dżuma dymienicza, zapalenie płuc, gruźlica, dur brzuszny i wiele innych.
Jeśli organizm ludzki zostanie narażony na bakterie, których organizm nie uznaje za pomocne, układ odpornościowy zaatakuje je. Ta reakcja może prowadzić do objawów obrzęku i stanu zapalnego, które widzimy na przykład w zakażonej ranie.
Odporność
W 1900 roku zapalenie płuc, gruźlica i biegunka były trzema największymi zabójcami w Stanach Zjednoczonych. Techniki sterylizacji i antybiotyki doprowadziły do znacznego spadku liczby zgonów z powodu chorób bakteryjnych.
Jednak nadużywanie antybiotyków utrudnia leczenie infekcji bakteryjnych. Gdy bakterie mutują, stają się bardziej odporne na istniejące antybiotyki, co utrudnia leczenie infekcji. Bakterie przekształcają się naturalnie, ale nadużywanie antybiotyków przyspiesza ten proces.
„Nawet jeśli zostaną opracowane nowe leki, bez zmiany zachowania, oporność na antybiotyki pozostanie głównym zagrożeniem”.
Światowa Organizacja Zdrowia (WHO)
Z tego powodu naukowcy i władze zdrowotne wzywają lekarzy, aby nie przepisywali antybiotyków, chyba że jest to konieczne, oraz aby ludzie stosowali inne sposoby zapobiegania chorobom, takie jak dobra higiena żywności, mycie rąk, szczepienia i używanie prezerwatyw.
Mikrobiom jelitowy
Niedawne badania doprowadziły do nowego i rosnącego zrozumienia, w jaki sposób organizm ludzki oddziałuje z bakteriami, a zwłaszcza ze zbiorowiskami bakterii żyjącymi w przewodzie pokarmowym, znanymi jako mikrobiom jelitowy lub flora jelitowa.
W 2009 roku naukowcy opublikowali wyniki sugerujące, że kobiety z otyłością częściej mają określony rodzaj bakterii, Selenomonas noxia (S. noxia), w ustach.
W 2015 roku naukowcy z University of North Carolina odkryli, że jelita osób z anoreksją zawierają „bardzo różne” bakterie lub wspólnoty drobnoustrojów w porównaniu z osobami bez tej choroby. Sugerują, że może to mieć wpływ psychologiczny.
Historia
Ponad 2000 lat temu rzymski autor Marcus Terentius Varro zasugerował, że chorobę mogą wywoływać małe zwierzęta unoszące się w powietrzu. Poradził ludziom, aby podczas prac budowlanych unikali miejsc podmokłych, ponieważ mogą zawierać owady zbyt małe, aby oko dostrzegło, że dostają się do organizmu przez usta i nozdrza i powodują choroby.
W XVII wieku holenderski naukowiec Antonie van Leeuwenhoek stworzył mikroskop jednosoczewkowy, za pomocą którego widział to, co nazwał mikroorganizmami, zwanymi później bakteriami. Uważany jest za pierwszego mikrobiologa.
W XIX wieku chemicy Louis Pasteur i Robert Koch powiedzieli, że choroby wywoływane są przez zarazki. Nazywało się to teorią zarazków.
W 1910 roku naukowiec Paul Ehrlich ogłosił opracowanie pierwszego antybiotyku Salvarsan. Używał go do leczenia kiły. Był także pierwszym naukowcem, który wykrył bakterie za pomocą plam.
W 2001 roku Joshua Lederburg ukuł termin „mikrobiom jelitowy”, a naukowcy na całym świecie starają się obecnie dokładniej opisać i zrozumieć struktury, typy i zastosowania „flory jelitowej”, czyli bakterii w ludzkim ciele.
Oczekuje się, że z czasem prace te rzucą nowe światło na szeroki zakres schorzeń.
