Ученые составили карту микробов в организме человека

Бактерии (лат. bacteria) — простейшие одноклеточные организмы. Они первые появились на Земле, предшествовали растениям, динозаврам и людям. Бактерии составляют одно из пяти царств в биологической классификации (животные, растения, грибы, простейшие), носящее название “Monera”.

Происхождение бактерий

Сказать точно, со 100% уверенностью, когда на Земле появились первые бактерии и как это произошло, вряд ли возьмется хотя бы один ученый. И речь идет не только об уважаемых членах научного сообщества, но и о любителях выдвигать полубезумные теории. Что абсолютно точно известно, и это подтверждают палеонтологические исследования, что следы самых древних микробов (цианобактерий) были найдены в отложениях пород, которым 3,5 млрд лет. Есть теория, что именно благодаря жизнедеятельности первых бактерий на земле появился кислород. Правда, процесс этот был несколько продолжительным — около миллиарда лет. Появление нового вещества – кислорода, уничтожило немалую часть одноклеточных анаэробов (не способных расти в кислородной среде) и разделило бактериологический мир на два лагеря: аэробный и анаэробный. Рис. 1. Портрет Антони ван Левенгука, первого микробиолога и первого человека, который увидел бактерии с помощью микроскопа

Каково строение клетки бактерий? Схема, названия структур и краткое описание

Схема строения типичной бактериальной (прокариотической) клетки

Бактериальные клетки могут иметь следующие структуры и органеллы:

  • Капсула — дополнительная защитная оболочка у некоторых видов бактерий, состоящая из полисахаридов (сложных углеводов). Капсула выполняют несколько функций, но наиболее важной является предотвращение высыхания бактерий и их защита от фагоцитоза (поглощения) более крупными микроорганизмами. Также капсула выступает фактором вирулентности для основных видов болезнетворных бактерий, таких как Escherichia coli (кишечная палочка) и Streptococcus pneumoniae (пневмококк). Неинкапсулированные штаммы этих бактерий авирулентные, то есть не вызывают заболеваний.
  • Клеточная стенка — каждая бактерия окружена жесткой клеточной стенкой, состоящей из пептидогликана. Стенка придает клетке форму и окружает цитоплазматическую мембрану, защищая ее от внешний среды. Она также помогает закрепить придатки, такие как пили и жгутики, которые берут начало в цитоплазматической мембране и выступают через стенку наружу. Прочность стенки отвечает за предотвращение разрыва клетки при больших различиях осмотического давления между цитоплазмой и окружающей средой.
  • Цитоплазма — представляет собой гелеобразное вещество, состоящее в основном из воды, которое также содержит ферменты, соли, различные органические молекулы, клеточные структуры, такие как рибосомы, хромосомы и плазмиды.
  • Цитоплазматическая мембрана — слой фосфолипидов и белков, окружающий цитоплазму и регулирующий поток веществ в клетку и из нее.
  • Нуклеоид — это область цитоплазмы, в которой расположена хромосомная ДНК. У большинства бактерий есть одна кольцевая молекула ДНК (хромосома), отвечающая за репликацию, хотя у некоторых видов есть две или более. Меньшие вспомогательные молекулы ДНК, называемые плазмидами, также находятся в цитоплазме.
  • Рибосомы — это микроскопические «фабрики», обнаруженные во всех клетках, включая бактерии и отвечающие за биосинтез белков. Они переводят генетический код с молекулярного языка нуклеиновой кислоты на язык аминокислот — строительных блоков белков. Белки — высокомолекулярные органические вещества, которые участвуют во всех функциях клеток живых организмов.
  • Жгутики — представляют собой нитевидные структуры, которые служат для передвижения бактерий. Они располагаются на одном, или обоих концах бактериальной клетки, или по всей ее поверхности. Для передвижения бактерии попеременно вращают своими жгутиками по часовой стрелке и против неё.
  • Пили — небольшие нитевидные структуры, выступающие из внешней поверхности клетки. Эти наросты помогают бактериям прикрепляться к другим клеткам и поверхностям, таким как зубы, кишечник и камни. Без пилей многие болезнетворные бактерии теряют способность инфицировать, потому что они не могут закрепиться на тканях хозяина. Для конъюгации используются специализированные пили, в ходе которых две бактерии обмениваются фрагментами плазмидной ДНК.

Бактериальная клетка

Все живые организмы на Земле состоят из двух основных типов клеток:

  1. Эукариотические клетки имеют сложное строение (ядро с генетическим материалом, цитоплазма и мембрана).
  2. Прокариотические клетки имеют другое строение. Аналогом ядра в этих клетках является структура, в которую входит ДНК, имеющая форму кольца, цитоплазма и клеточная стенка. Генетический материал не отделен от остальной части клетки.

Традиционно, все бактерии и археи — клетки-прокариоты. Они внешне похожи, например, у них нет внутриклеточных органелл, и они имеют круговую ДНК, но их биохимия и физиология различны.

Бактериальная клетка

Небольшие размеры, простая конструкция и широкие метаболические возможности бактерий позволяют им очень быстро расти и делиться, а также обитать и процветать практически в любой среде.

Читайте также:  Врачи ответили на главные вопросы о массовой вакцинации в России

Количество молекул ДНК в бактериальных хромосомах колеблется примерно от 580 000 пар оснований до 9 450 000. Миксобактерия, имеет один из самых больших бактериальных геномов, содержащий свыше 13 миллионов пар оснований. Длина ее хромосомы, если ее удалить из клетки и растянуть, составляет около 1,2 мм, что поразительно, учитывая тот факт, что длина клетки составляет около 0,001 мм.

Цитоплазма бактерий содержит высокие концентрации ферментов, метаболитов и солей. В цитоплазме бактерий имеются многочисленные тела включения, или гранулы. Эти тела никогда не заключены в мембрану и служат сосудами для хранения.

Гликоген, который является полимером глюкозы, хранится как резерв углеводов и энергии. Волютин, или метахроматические гранулы, содержит полимеризованный фосфат и представляет собой форму хранения неорганического фосфата и энергии.

В бактериях гранулы для хранения образуются при благоприятных условиях роста и потребляются после того, как питательные вещества были исчерпаны из среды. Многие водные бактерии производят газовые вакуоли, которые представляют собой связанные с белками структуры, содержащие воздух и позволяющие бактериям регулировать свою плавучесть.

Бактериальная клетка

Разнообразие форм бактерий

Бактерии — многочисленные и разнообразные организмы. Они различаются по форме.

Округлые бактерии называют кокками, а цепочки из кокков — стрептококками; грозди кокков (наподобие виноградной грозди) — стафилококками; две округлые бактерии, заключенные в одной слизистой капсуле, – диплококками.

Многие виды бактерий имеют форму палочек, их называют бациллами. Они могут быть либо одиночными, либо в виде цепочек. Есть также спиралевидные бактерии — спириллы — и короткие палочки, всегда изогнутые в виде запятой, – вибрионы. Основные формы тела бактерий: 1 — палочковидная; 2 — округлая; 3 — спиралевидная

Культуру сенной палочки вы можете вырастить, если немного сена прокипятите в воде (5-10 мин), чтобы очистить данную бактерию от других видов, которые могут оказаться в сене. Полученный настой профильтруйте и оставьте в темном месте на 5-6 дней. На поверхности воды появится пленка. Это и есть размножившаяся культура сенной палочки.

Разнообразие бактерий по способам питания. У бактерий наблюдаются разные способы питания. Среди них есть автотрофы и гетеротрофы.Автотрофы (от греч. аутос — «сам» и трофе — «пища») — организмы, способные самостоятельно образовывать органические вещества для своего питания. Гетеротрофы (от греч. гетерос — «другой» и трофе — «пища») — организмы, использующие для своего питания готовые органические вещества. Гетеротрофные бактерии подразделяются на сапрофитов, симбионтов и паразитов.

Бактерии-сапрофиты (от греч. сапрос — «гнилой», трофе — «пища») извлекают питательные вещества из мертвого и разлагающегося органического материала. Обычно они выделяют в этот гниющий материал свои пищеварительные ферменты, а затем всасывают и усваивают растворенные продукты.

Бактерии-симбионты (от греч. симбионтос – «сожительствующий») живут совместно с другими организмами и часто приносят им ощутимую пользу. Например, особые бактерии, живущие в утолщениях корней (в клубеньках) бобовых растений, из атмосферного воздуха усваивают азот, служащий растению удобрением. Некоторые бактерии, живущие внутри кишечника животных, в том числе и человека, потребляя и перерабатывая их пищу, поставляют им витамины группы B и K.

Бактерии-паразиты (от греч. паразитос — «нахлебник») живут внутри другого организма (его называют хозяином) или на нем, укрываются и питаются его тканями. Как правило, паразиты наносят вред своему хозяину. Они вызывают различные заболевания — бактериозы. Такие паразиты называются патогенными (от греч. патос — «страдание»). Обычно бактерии не могут разрушить покровы растения, поэтому они проникают в растение через ранки или естественные отверстия (устьица, чечевички и др.). Многие бактерии, заражая семена, луковицы, клубни, корневища, передаются от растения к растению при вегетативном размножении или при прорастании семян. Даже капли дождя или брызги воды при поливах могут распространять бактерий — возбудителей болезней растений. Нередко в распространении болезнетворных бактерий участвуют другие организмы — переносчики (насекомые, клещи, моллюски, птицы и др.).

Многие бактерии-паразиты, попадая в организм человека, также вызывают заболевания, например дизентерию, туберкулез, ангину, холеру, чуму и др.

Польза от микробов

  • Микробы помогают нам получать энергию из пищи
  • Позволяют нам усваивать витамины
  • Могут помочь производить молекулы, которые борются против воспалений
  • Существует все больше доказательств того, что они развивают нашу иммунную систему

Исследователи обнаружили, что здоровые добровольцы переносят небольшое количество микробов, которых принято считать болезнетворными.

Например, бактерия метициллин — резистентный золотистый стафилококк, — которая может вызвать сепсис и двустороннюю пневмонию, была найдена в носу около 30% участников эксперимента.

«Теперь у нас есть «телефонная книга» из более чем 100 подобных микроорганизмов, которые при определенном стечении обстоятельств могут повести себя плохо. Мы знаем, где они живут у здоровых людей и какие организмы их окружают. Поэтому, возможно, мы можем начать понимать, что их сдерживает и где они размножаются», — говорит доктор Хаттенхауэр.

И микробы несут в себе многие гены. Эти гены обладают такой же способностью влиять на наше здоровье и болезни, как и наши собственные, уверяет Кертис Хаттенхауэр..

Вопрос Питание и особенности метаболизма бактерий

1. Химические компоненты бактериальной клетки

По химическому составу и характеру биополимеров (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды) прокариотические клетки не отличаются от эукариотических. Основными химическими компонентами бактериальной клетки являются органогены (кислород, водород, углерод, азот, фосфор).

Процесс, в ходе которого бактериальная клетка получает из окружающей среды компоненты, необходимые для построения ее биополимеров (органоидов), называется питанием.

2. Питание бактерий

Бактериальные клетки не имеют специальных органов питания, т. е. являются голофитными. Поступление питательных веществ в микробную клетку может происходить:

 за счет осмоса и диффузии по градиенту концентрации без затрат энергии;

 за счет пассивного транспорта, который также осуществляется по градиенту концентрации с помощью белков-переносчиков, но без затрат клеткой энергии, и отличается от диффузии большей скоростью;

 за счет активного транспорта, который идет против градиента концентрации с затратой энергии и возможным частичным расщеплением субстрата, осуществляется белками-переносчиками или ферментами – пермеазами.

По источникам углерода, необходимого для построения биополимеров, бактерии делятся на следующие группы:

 автотрофы – микроорганизмы, которые используют как единственный источник углерода углекислый газ, и не нуждаются в сложных органических соединениях.

 гетеротрофы – микроорганизмы, которые используют в качестве источника углерода разнообразные органические углеродосодержащие соединения (углеводы, углеводороды, аминокислоты, органические кислоты) как биологического, так и не биологического происхождения.

В зависимости от источника получения энергии микроорганизмы делятся на:

 фототрофные, способные использовать солнечную энергию,

 хемотрофные, получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций.

В дополнение к этой классификации в зависимости от природы доноров электронов микроорганизмы подразделяются на фототрофные литотрофы и, соответственно, хемотрофные литотрофы, т. е. использующие в качестве доноров электронов неорганические соединения, а также, соответственно фото– и хемоорганотрофы, использующие только органические соединения. К последним принадлежит значительное большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды.

По источникам азота выделяют:

 азотфиксирующие микроорганизмы (способны усваивать молекулярный азот атмосферы),

 микроорганизмы, ассимилирующие неорганический азот солей аммония, нитратов или нитритов и, соответственно, называющиеся аммонифицирующими, нитратредуцирующими и нитритредуцирующими.

Однако большинство патогенных для человека микроорганизмов способны ассимилировать только азот органических соединений.

Микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, аминокислоты и др.) из указанных компонентов, называются прототрофами.

Микроорганизмы, не способные синтезировать какое-либо из необходимых соединений, и ассимилирующие их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина (человека, животного), называются ауксотрофами по этому соединению. Чаще всего ими являются патогенные или условно-патогенные для человека микроорганизмы.

Другие разновидности

Кроме микроорганизмов, которые даже в своем названии имеют отсылку к конфигурации, определяющей классификационные характеристики такой группы, как палочковидные бактерии, сюда относятся:

  • кокки с неправильной округлой формой;
  • энтеробактерии;
  • лактобациллы;
  • псевдомонады;
  • хламидии;
  • риккетсии.

Это те прокариоты, форму которых на сегодня удалось изучить, и которые имеют систематизирующее описание.

Имеющихся данных достаточно, чтобы говорить о том, что палочковидные – одна из самых широких групп бактерий. Ни вибрионы, ни кокки не могут похвастаться таким родовым и видовым разнообразием.

Самые безопасные для человека микробы, которые имеют форму палочки, – лактобактерии. Они не вызывают отправлений, не превращаются в споры и зачастую неподвижны, как кокки.

Другие разновидности

Энтеробактерии чаще всего имеют конфигурацию палочки, но есть виды, которые классифицируются как вибрионы и кокки. К энтеробактериям относятся микроорганизмы, которые называют одной из основных угроз здоровью человека. Сюда входят бактерии сальмонелла, кишечная палочка, чумная палочка и другие сильнейшие патогены.

Кокки с неправильной формой также называют палочковидными патогенами. Они вызывают такие заболевания, как бактериемия, менингит, эндокардит и другие поражения внутренних органов.

Основной причиной заражения энтерококками овальной конфигурации микробиологи называют плохое качество воды, которая используется человеком в быту.

В отличие от единичных вибрионов, практически все группы палочковидных прокариотов состоят из нескольких бактериальных клеток:

  • если форма состоит из двух бактериальных клеток, то ее называют диплобациллой;
  • если из нескольких – стрептобациллой.

Благодаря тому, что палочковидные микробы – наиболее изученная группа прокариотов, у микробиологов есть все инструменты и методы, которые позволяют быстро и качественно выделить как патогенные, так и безопасные штаммы бацилл, идентифицировать их и вовремя определиться с антибиотиками или, наоборот, со способами изготовления биопрепаратов на основе жизнедеятельности этой разновидности бактерий.

Читайте также:  Что такое менингит и как распознать по первым признакам

Классификация по форме

❖ Классификация бактерий по типу питания (ассимиляции):■ автотрофные,■ гетеротрофные.

♦Автотрофные бактерии сами синтезируют нужные им органические вещества из неорганических.

■ В зависимости от способа получения энергии, необходимой для этого синтеза, автотрофные бактерии подразделяются на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. Фотосинтезирующие бактерии (например, зеленые и пурпурные) осуществляют фотосинтез органических веществ, используя световую (солнечную) энергию.

В клетках фотосинтезирующих бактерий (в отличие от клеток растений) нет пластид, а фотосинтезирующие пигменты (бактерио-хлорофиллы) находятся в тилакоидах, образующихся в результате выпячивания цитоплазматической мембраны. По своей структуре бактериохлорофиллы подобны хлорофиллам растений и отличаются от них природой белковых цепей.

Хемосинтезирующие бактерии получают нужную для синтеза энергию от экзотермических реакций окисления неорганических веществ (молекулярного водорода, сероводорода, аммиака, закиси железа и др.). ‘

❖ Гетеротрофные бактерии (их большинство) используют в пищу готовые органические вещества, которые служат этим бактериям источником энергии и атомов углерода.

■ В зависимости от источника пищи гетеротрофные бактерии подразделяются на сапротрофы и симбионты.

Сапротрофы извлекают органические вещества из разлагающихся мертвых остатков организмов (бактерии гниения, получающие энергию от расщепления азотсодержащих соединений), выделений живых организмов (бактерии брожения, получающие энергию от расщепления углеродсодержащих соединений).

■ продуцируют вещества, необходимые организму хозяина (пример: клубеньковые азотфиксирующие бактерии, поселяющиеся на корнях бобовых растений и находящиеся с ними во взаимовыгодном сосуществовании), или

■ наносят вред организму хозяина, вызывая в нем болезни (бактерии-паразиты).

❖ Классификация бактерий по типу диссимиляции (потребности в кислороде для высвобождения энергии, запасенной в молекулярных связях):■ аэробные,■ анаэробные,■ факультативные.

Аэробные бактерии (туберкулезная палочка, гнилостные бактерии) живут только в кислородной среде (в верхних слоях почвы, в воздухе) и получают энергию путем окисления органических соединений до воды и диоксида углерода.

Классификация по форме

Анаэробные бактерии (бактерии желудочно-кишечного тракта, столбнячная палочка, возбудители гангрены, палочка ботулизма и др.) обитают в бескислородных средах и получают энергию в процессе реакций гликолиза и брожения.

Факультативные бактерии могут обитать как в кислородных, так и в бескислородных средах (пример: молочнокислая бактерия).

Одна из самых распространенных классификаций этих микроорганизмов – классификация по форме. Названия видов произошли от геометрических форм бактерий.

В зависимости от того, каким образом бактерии добывают себе пищу, их подразделяют на автотрофов и гетеротрофов.

Гетеротрофы также делятся на виды:

  • сапрофиты (питаются разлагающейся органикой);
  • симбионты (живут в полезном содружестве с другими организмами);
  • паразиты (живут за счет других организмов, питаясь их тканями или присваивая себе полезные вещества, которые организм-хозяин вырабатывает для себя и без которого его жизненные процессы подвергаются опасности).

Эта классификация является в определенной мере условной, поскольку отличительной чертой большинства известных бактерий является способность мутировать под требования условий окружающей среды.

По современным данным, перечень потенциально опасных болезнетворных видов микробов достаточно обширен. В основном это паразиты, которые живут за счет разложения тканей человеческого организма.

Имея возможность наблюдать развитие заболеваний, причиной которых являются известные болезнетворные микроорганизмы, научный мир сумел найти антибиотики, позволяющие уничтожить паразитов. Однако бактериальная угроза от этого уменьшилась ненамного. Во-первых, происходит уничтожение антибиотиками естественного иммунитета человека, единственной преграды, способной в полной мере держать под контролем бактериальные сообщества – человеческие симбионты.

Оказавшись в неблагоприятных условиях, где ей либо не будет хватать энергии, либо питательных веществ, либо необходимой для жизни среды, бактерия через несколько поколений уже эволюционирует до такого состояния, которое позволит ей чувствовать себя комфортно в новых условиях. И нет никаких гарантий, что нынешние добрые соседи человеческих клеток в какой-то момент не решат изменить условия своего сосуществования, поменяв имеющийся рацион на новый.

Кишечная палочка на телефоне

9. Кишечная палочка

Вероятно, вам вряд ли хотелось бы, что эта красота жила на вашем телефоне. Правда заключается в том, что не все штаммы этих бактерий на самом деле вредны. Некоторые из них даже полезны для желудочно-кишечного тракта.

Кишечная палочка на телефоне

Тип фекальных бактерий кишечной группы, штаммы , на постоянной основе присутствуют в кишечнике человека, а их наличие на поверхности мобильного свидетельствует о том, что есть и другие вредители.

В редких случаях на телефоне может обитать очень неприятный представитель этой группы: O157: H7. Этот патоген может привести к появлению тяжёлых судорог, поносу и рвоте. Иногда последствия могут быть фатальными.

Роль бактерий в природе: минерализация органических остатков

Бактерии, принимающие активное участие в минерализации органических соединений, считаются чистильщиками (санитарами) планеты Земля. С их помощью органические вещества погибших растений и животных превращаются в перегной, который почвенные микроорганизмы превращают в минеральные соли, так необходимые для построения корневой, стеблевой и листовой систем растений.

Роль бактерий в природе: минерализация органических остатков

Рис. 11. Минерализация органических веществ, поступающих в водоем, происходит в результате биохимического окисления.