Бактерии - Setup.ru

Бактерии: строение, жизнедеятельность, значение
Бактерии - микроскопические одноклеточные организмы - прокариоты (безъядерные).
Впервые описаны в 1676 г. голландским натуралистом Антони ван Левенгуком.
Систематическое положение.
К надцарству Прокариоты относят царство Дробянки, которое делится на два
подцарства бактерии и Синезеленые водоросли. Подцарство бактерии делится на две
крупные группы бактерий: эубактерии и архебактерии (от греч. «археос» — древний).
Архебактерии резко отличаются от истинных бактерий (эубактерии) химическим составом и физиологическими свойствами, сравнительно немногочисленны (обнаружено
немногим более 40 видов). Некоторые признаки сближают архебактерии с эукариотами, другие — отличают их как от истинных бактерий, так и от эукариот.
Надцарство Прокариоты.
Царство Дробянки
Подцарство Бактерии
Эубактерии
(истинные)
Подцарство Синезеленые бактерии
Архебактерии
(древние немногочисленные)
Отличительные особенности бактерий следующие.
1. Бактериальные клетки обычно величиной 0,1—10 мкм
2. Тело бактерии состоит из одной клетки, однако бактерии могут образовывать
колонии в виде шариков, нитей, пленок. Многоклеточные представители встречаются
среди цианобактерий (синезеленых водорослей).
3. От внешней среды бактериальная клетка отграничена плазматической мембраной типичного строения. Плазматическая мембрана образует впячивания внутрь
клетки, которые называют мезосомами; на их поверхности локализованы ферменты,
принимающие участие в дыхательных процессах. У фотосинтезирующих бактерий во
впячиваниях плазматической мембраны встроены фотосинтетические пигменты.
4. Снаружи от мембраны клетка бактерии покрыта жесткой клеточной стенкой, в
состав которой входит полисахарид муреин. Клеточная стенка проницаема для воды,
ионов и низкомолекулярных соединений, но непроницаема для крупных полимерных
1
молекул. Поверх клеточной стенки у бактерии может располагаться капсула или слои
слизи. Эти образования служат дополнительной защитой для клеток и участвуют в
формировании колоний.
5. В клетках бактерий нет типичного ядра. Генетический аппарат бактерий представлен одной кольцевой молекулой ДНК, не ассоциированной с белками (бактериальной хромосомой), которая присоединена в определенном месте к клеточной мембране и занимает в цитоплазме пространство, называемое нуклеоидом.
Кроме того, в бактериальных клетках имеются небольшие кольцевые молекулы ДНК - плазмиды, экспрессирующиеся независимо.
6. У бактерий отсутствуют мембранные органеллы, характерные для клеток эукариот: эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, митохондрии, пластиды и др.
7. Рибосомы бактерий мельче рибосом эукариот и не связаны с эндоплазматической сетью.
8. Существуют неподвижные и подвижные бактерии. У подвижных бактерий
имеется один или несколько жгутиков.
Жгутики бактерий устроены иначе, чем у эукариот: они представляют собой полый цилиндр
из особых белков и не покрыты цитоплазматической мембраной.
По форме клетки бактерий можно разделить на четыре основных типа:
•бациллы, имеющие форму палочек; бывают как одиночные (кишечная палочка),
так и собранные в цепочки (возбудитель сибирской язвы);
•кокки, имеющие форму шариков; если они располагаются попарно — это диплококки (возбудитель пневмонии), если образуют цепочки клеток — то стрептококки
(возбудители ангины, скарлатины), если сгруппированы в комочки, напоминающие
виноградную гроздь, - это стафилококки (вызывают пищевые отравления);
•вибрионы, имеющие форму запятой (возбудитель холеры);
• спириллы и спирохеты — нитевидные или закрученные по спирали клетки (отличаются друг от друга по способу перемещения).
У некоторых лишенных жгутиков водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли. Регулируя количество газов в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу
воды или подниматься на ее поверхность, а почвенные — передвигаться в капиллярах почвы. Запасные вещества бактериальной клетки — полисахариды (крахмал, гликоген), жиры, полифосфаты, сера
При наступлении неблагоприятных условий некоторые бактерии образуют тол2
стостенные споры. Бактериальные споры формируются внутри клеток и служат не для
размножения, а для перенесения неблагоприятных условий и распространения. Споры
способны выдерживать нагревание, переохлаждение, облучение и могут сохраняться
живыми десятки лет.
Размножаются бактерии вегетативно, простым делением клетки пополам. Перед
делением клетки происходит удвоение молекулы ДНК. Клеточный цикл бактериальных клеток — самый короткий: при благоприятных условиях некоторые из них могут
размножаться каждые 20—30 мин. Помимо вегетативного размножения у бактерий
может происходить обмен генетическим материалом. Этот процесс называется генетической рекомбинацией. У бактерий выделяют три ее формы: трансформация, конъюгация и трансдукция.
У некоторых бактерий обнаружены упрощенные формы полового процесса (например, у кишечной палочки). Половой процесс напоминает конъюгацию, при которой происходит передача генетического материала из одной клетки в другую при их непосредственном контакте. После этого
клетки разъединяются. Количество особей в результате полового процесса остается прежним, но
происходит обмен наследственным материалом, т. е. осуществляется генетическая рекомбинация.
Для получения необходимой энергии бактерии могут использовать готовые органические вещества; такие бактерии называют гетеротрофами. Они получают энергию при окислении органических веществ кислородом или при сбраживании (без участия кислорода).
В зависимости от субстрата, на котором они развиваются, различают:
•сапротрофов, питающихся мертвым органическим веществом (бактерии гниения, молочнокислые бактерии);
•паразитов, развивающихся только на живых организмах (менингококки, гонококки);
•миксотрофов, способных как к паразитическому, так и сапротрофному образу
жизни (бациллы сыпного тифа, сибирской язвы).
Гетеротрофные бактерии получают энергию для биосинтеза путем окисления органических
соединений (углеводов и др.). Этот процесс может происходить при участии кислорода (дыхание)
или в анаэробных условиях (брожение). В зависимости от конечного продукта различают несколько
видов брожения. Так, спиртовое брожение заключается в расщеплении сахаров (глюкозы, фруктозы)
до этилового спирта и СО2 в присутствии фосфата. В суммарном виде уравнение реакции выглядит
3
так:
C6H12O6 -> 2С2Н50Н + 2СО2 + 23,5 • 104 Дж.
Молочнокислые бактерии превращают сахара в молочную кислоту. Эти бактерии широко используют для квашения молока и овощей (например, приготовление кислой капусты — результат
молочнокислого брожения, осуществляющегося в анаэробных условиях).
Маслянокислые бактерии сбраживают углеводы, в том числе высокомолекулярные — крахмал, гликоген, спирты, органические кислоты до масляной кислоты. В природных условиях маслянокислое брожение осуществляется в громадных размерах на дне болот, в заболоченных почвах, в
илах, где ограничен доступ кислорода. Промежуточный продукт маслянокислого брожения — уксусная кислота, которая и включается в биологический круговорот веществ.
Необходимо отметить, что процессы брожения сопровождаются (помимо конечного) образованием
побочных продуктов: ацетона, бутанола, изопроп илового спирта, глицерина и др.
В природных условиях большое значение имеют метанообразующие бактерии, которые
сбраживают спирты и органические кислоты в метан и СО2. Некоторые из них способны превращать
в метан даже оксид углерода. Метанообразующие бактерии обитают в болотах, где они образуют
«болотный газ» (метан). Метанообразующие бактерии замыкают любой цикл брожения. Сначала
другие бактерии сбраживают углеводы до жирных кислот, спиртов, СО2 и молекулярного водорода, а
затем уже эти продукты перерабатываются метанообразующими бактериями.
Автотрофные бактерии используют неорганические соединения углерода, главным образом углекислый газ, для синтеза собственных органических веществ.
В зависимости от источника энергии выделяют:
•фотоавтотрофов, использующих солнечный свет (цианобактерии, пурпурные
бактерии, зеленые бактерии);
К фотоавтотрофным принадлежат бактерии, имеющие зеленые пигменты бактериохлорофиллы. Фотосинтез у них протекает в анаэробных условиях без выделения
кислорода (аноксигенный фотосинтез). К этой же группе относятся и цианобактерии, у
которых есть хлорофилл а, но фотосинтез протекает с выделением кислорода (оксигенный фотосинтез).
•хемоавтотрофов — используют химическую энергию окисления неорганических веществ (нитрифицирующие и азотфиксирующие бактерии, серобактерии, железобактерии, водородные бактерии).
В группу хемоавтотрофов входят нитрифицирующие бактерии, способные окислять
4
аммоний до нитратов. Азотфиксирующие бактерии переводят молекулярный азот в нитраты. Бесцветные серные бактерии окисляют сероводород до молекулярной серы, а при нехватке сероводорода переводят серу в сернистую и серную кислоты. Железобактерии
окисляют двухвалентное железо в трехвалентное (Fe2+ в окисное (Fе3+), благодаря их деятельности в протерозойской эре образовались залежи железных руд (Криворожское месторождение). Водородные бактерии окисляют молекулярный водород до воды.
Особый интерес представляют бактерии-симбионты, тесно связанные с другими
живыми организмами симбиотическими отношениями. Например, клубеньковые бактерии, образующие клубеньки на корнях бобовых растений. Они свободно живут в
почве, но фиксацию молекулярного азота могут осуществлять только в симбиозе с
растениями. Растение обеспечивает бактерии питательными веществами и создает для
них необходимые условия существования, а бактерии снабжают растения азотом. Они
способны фиксировать молекулярный азот и переводить его в форму, доступную для
всасывания растениями.
Бактерии распространены повсеместно. Наибольшее количество бактерий обитает в почве: в 1 г плодородной пахотной почвы их содержится несколько миллиардов.
Концентрация бактерий в воде значительно ниже: в 1 см3 воды обычно содержится до
400 тысяч бактерий. Меньше всего бактерий в воздухе, однако их число значительно
возрастает в помещениях и в местах скопления людей. Наименьшая численность бактерий в воздухе хвойных лесов, потому что смолистые выделения хвойных обладают
бактерицидным свойством. В населенных пунктах, особенно в промышленных городах, число бактерий в воздухе увеличивается, так как они оседают на взвеси пыли, в
избытке содержащейся в воздухе. Бактерии встречаются и в бескислородной среде: в
глубоких слоях почвы, в иле, в толще воды. Одни бактерии приспособились жить при
низких температурах, например во льдах Антарктиды. Другие, наоборот, могут жить в
горячих источниках, выдерживая температуру до 80 ° С. Ряд бактерий живут на покровах или внутри растений, животных и человека,
Значение бактерий в природе и жизни человека огромно, так как они:
•принимают непосредственное участие в круговороте веществ в природе, разлагая органические остатки (отмершие тела растений и животных) до веществ, доступных для усвоения растениями: углекислого газа, воды и минеральных солей;
5
Минерализацией органических остатков в почве и на дне водоемов за-l-p нимаются в основном бактерии гниения. Чем больше бактерий в почве, тем интенсивнее идет процесс минерализации,
следовательно, тем выше плодородие почв. Способность бактерий расщеплять органические вещества используют при очистке загрязненных сточных вод. В почве и воде также могут находиться болезнетворные бактерии и их споры (возбудители столбняка, гангрены, ботулизма (в почве), холеры,
туляремии (в воде).
•играют важную роль в фиксации атмосферного азота (некоторые цианобактерии, клубеньковые бактерии рода ризобиум);
•входят в состав лишайников (цианобактерии);
Так как цианобактерии при фотосинтезе выделяют кислород, именно Щр : благодаря им примерно 2 млрд. лет назад в атмосфере началось накопление молекулярного кислорода. В результате
деятельности этих бактерий изменился газовый состав атмосферы и сформировался озоновый экран.
•обитают в кишечнике млекопитающих в качестве симбионтов: частично разлагают клетчатку, которую эти животные не способны переварить, синтезируют витамины группы В и витамин К;
•используются в процессах брожения для получения кисломолочных продуктов,
сыра, масла, квашения овощей в пищевой промышленности;
• используются для получения спиртов, уксусной кислоты, ацетона, Сахаров и
полимеров в химической промышленности;
•применяются для получения антибиотиков, витаминов, гормонов и ферментов в
микробиологической промышленности;
•используются в генной инженерии;
•используются для борьбы с вредителями сельского хозяйства;
•вызывают порчу пищевых продуктов, кормов, цветение воды, повреждение
книг и рукописей;
•являются возбудителями заболеваний растений (пятнистость листьев, увядание
и гниение стеблей), животных (сап, сибирская язва, бруцеллез) и человека (тиф, холера, чума, дизентерия, столбняк, туберкулез и др.).
У человека заражение может происходить как при контакте с больными людьми, так и через
воду, воздух, продукты питания, предметы личной гигиены, а также через переносчиков. К мерам
борьбы с возбудителями инфекционных заболеваний относятся: вакцинация и введение лечебных
сывороток, соблюдение личной гигиены, контроль за источниками воды и пищевыми продуктами,
термическая обработка (кипячение, пастеризация) продуктов питания, химическая дезинфекция по-
6
мещений, стерилизация инструментов и перевязочного материала, уничтожение переносчиков и др.
Цианобактерии (сине-зеленые водоросли).
Они представляют собой древнейшую, уникальную группу организмов. Многие свойства цианобактерий (фиксация азота, прижизненные выделения органических веществ и др.) определяют их
чрезвычайно важную роль в биосфере. Отдел включает одноклеточные, колониальные и многоклеточные (нитчатые) организмы различной морфологической структуры: от мироскопических до видимых простым глазом. В цитоплазме расположены фотрсинтезирующие ламмеллярные структуры и
пигменты: хлорофилл а, каротиноиды, фикоби-лины, пигменты, отсутствующие у других фотосинтетиков. Благодаря разнообразию пигментов цианобактерий способны к поглощению света различных
длин волн.
Размножаются цианобактерий бесполым путем (одноклеточные — делением клеток, колониальные и нитчатые — распадением на отдельные участки, способные прорастать в новые организмы). Половой процесс и подвижные жгутиковые формы и стадии не выявлены.
Цианобактерий распространены в пресных и соленых водах, на поверхности почвы, на скалах,
в горячих источниках, входят в состав лишайников. Они обогащают почву органикой и азотом, являются кормом для зоопланктона и рыб, могут использоваться для получения ряда ценных веществ,
продуцируемых ими в процессе жизнедеятельности (аминокислоты, витамин В12, пигменты и др.).
Некоторые — носток, спирулина— могут применяться в пищу. Помимо способности к фотосинтезу
многие виды синезеленых водорослей могут фиксировать атмосферный азот. Обусловленная этим
пищевая независимость позволяет им заселить необитаемые (без следов почвы) скалы. Синезеленые
водоросли первыми осваивают безжизненные местообитания — лавовые потоки, вулканические острова.
В период массового размножения цианобактерий в водоемах (так называемого «цветения воды») происходит процесс их гниения: вода приобретает неприятный запах и становится непригодной
для питья; наблюдается массовая гибель рыбы; на поверхности водоема образуется маслянистая
грязно-зеленая пленка состоящая из отмерших цианобактерий.
7