Кто они – бактерии и что представляют собой самые многочисленные жители нашей планеты?

Все живые организмы нашей планеты делятся на два домена в зависимости от наличия у них настоящего оформленного ядра. Ядерные клетки и организмы, которые из них состоят, называются эукариотами, а те, у которых нет ядра, – прокариотами. Бактерии представляют собой одно из двух царств прокариотических организмов, которое еще называют эубактерии. Описано таких организмов около десяти тысяч видов, и большинство из них одноклеточные.

Второе царство представляют собой археи, или архебактерии. До конца семидесятых годов прошлого века эти термины были синонимами. Только в 1977 году молекулярные биологи выявили существенные различия в строении и жизнедеятельности бактерий и архей, и эти домены разделили.

Человек очень давно использует брожение у бактерий, не задумываясь, что представляет собой этот процесс. Однако сами бактерии были обнаружены относительно недавно. Термин был введен в научный лексикон Кристианом Эренбергом в 1828 году, а первым, кто их увидел при помощи микроскопа, был Антони ван Левенгук. Изучению бактерий посвятил свою жизнь Луи Пастер. Именно он смог дать ответ на вопросы, связанные с защитой человека от инфекций. Однако в полной мере дать ответ, что представляют собой бактерии как формы жизни и как происходит процесс обмена веществ у этих организмов, ученые смогли только после появления методов молекулярной биологии.

Классификация микроорганизмов

Учитывая, что бактерии чаще всего представляют собой одноклеточные и только иногда – колониальные организмы, их классификация длительное время находилась в зародышевом состоянии. То, что можно было увидеть под микроскопом, позволило разделить их по форме, поведению при окрашивании, способу питания, цвету. Однако такая классификация, по сути, была только созданием каталога и не давала представления о том, что представляет собой происхождение бактерий. Появление молекулярно-биологических методов исследования позволило найти ответ на вопрос о том, что представляла собой их эволюция.

Процесс работы над изучением состава и строения бактерий позволил выяснить, что генетический аппарат всех прокариот (бактерий и архей) представлен молекулами ДНК. Изучение особенностей метаболизма, состава клеточных стенок, ферментов позволило создать классификацию, которая связывала весь бактериальный мир в единую стройную систему и позволяла судить о родственных связях видов.

Строение бактериальных организмов

За исключением нитчатых цианей и актиномицетов, которые имеют колониальные формы жизни, все бактерии – одноклеточные организмы. Их форма отличается многообразием – описаны шарообразные кокки, палочковидные бациллы и клостридии, извитые (вибрионы и спирохеты). Более редкие варианты представляют собой организмы в форме звезд, тетраэдров, колец или похожие своей формой на букву С.

От формы и жесткости клеточных стенок зависит способ питания и прикрепления. Любопытным является тот факт, что в случае малого количества питательных веществ в окружающей среде, бактерии способны увеличивать площадь своей поверхности для увеличения всасывающей способности за счет образования выпячиваний, называемых простеками.

Структура бактериальной клетки представляет собой:

• нуклеоид (так называется генетический аппарат бактерий и архей, представленный молекулой ДНК);
• клеточную стенку, отделенную от цитоплазмы мембраной;
• рибосомы, продуцирующие белок из аминокислот, используя в качестве матрицы РНК.

Клеточная стенка часто бывает окружена капсулой из слизи. Мембрана принимает участие в образовании жгутиков и ресничек, при помощи которых бактерии движутся. Рецепторы, пронизывающие клеточную стенку, взаимодействуют с иммунными клетками и антителами высших организмов и формируют у них специфический и неспецифический иммунный ответ.

Отличительной чертой бактерий является тот факт, что их генетический аппарат представлен кольцевой молекулой ДНК. Ядерное вещество свободно располагается в цитоплазме. Это отличает прокариотические организмы от эукариот, имеющих оформленное ядро, окруженное мембраной.

Архебактерии – жители экстремальных зон

Эти необычные одноклеточные организмы впервые были обнаружены в местах, непригодных для обитания живых организмов. Как и бактерии, они представляют собой ответ на вопрос о том, как начиналась жизнь на нашей планете. Аналогично бактериям, их генетический аппарат имеет вид кольцевой молекулы, и только процесс воспроизведения ДНК (транскрипции) и производства белка (трансляции) отличается от бактериального, поразительно напоминая таковой у эукариот.

До 1977 года эти одноклеточные организмы относили к числу бактерий. Биолог-молекулярщик Карл Воуз, занимаясь изучением микроорганизмов, продуцирующих метан, обнаружил, что структура их ДНК отличается от бактериальной, а клеточная стенка имеет в своем составе уникальные ферменты. Генетический аппарат архей содержит уникальные интроны (последовательности нуклеотидов, не несущие смысловой нагрузки, с которых не считываются белки), а инициация (начало) и элонгация (процесс удлинения белковой цепочки) синтеза белка сходны с эукариотическими. Стенки клеток архей образуют S-слой, основное вещество которого – белок.

Ответ на вопрос о причинах этих отличий ученые нашли в высокотемпературных средах обитания. Археи называются экстремофилами из-за склонности селиться в условиях, сложных для жизни. Как и большинство бактерий, они представляют собой одноклеточные организмы. Они живут в горячих источниках с кипящей водой, способны поддерживать метаболизм при очень низких температурах, щелочной, кислотной среде, а также в очень соленых почвах и водоемах. Эти бактерии не бывают патогенными для человека, животных или высших растений. Они делятся на группы в зависимости от мест обитания.

1. Галофиты. Предпочитают соленые водоемы, обнаружены в Мертвом море, а также в южной части залива Сан-Франциско. Их присутствие – ответ на вопрос о том, почему соленые водоемы часто окрашены в яркие цвета от зеленого до красного.
2. Метаногены. Предпочитают анаэробные условия жизни, вырабатывая такое вещество, как метан. Являются нормальной микрофлорой кишечника животных, также могут селиться в сточных водах или грунте.
3. Термофилы. Жители горячих источников.
4. Жители холодных источников, ледников, обнаруженные в последнее время. Образуют до 40 % биомассы холодных регионов, позволяя ученым находить ответ на вопрос о том, как происходит освоение живыми организмами территорий с низкими температурами. До конца не систематизированы.
5. Азотфиксирующие. В настоящее время описан только один вид архебактерий-азотфиксаторов.

Размножение у этого вида прокариот бесполое. Процесс мейоза, предусматривающий образование половых клеток с половинным генетическим аппаратом, не обнаружен. Генетический аппарат архебактерий представлен кольцевыми молекулами – нуклеоидом и плазмидами. Процесс фотосинтеза у некоторых из них происходит с участием бактериородопсина вместо хлорофилла.

Особенности генетического аппарата прокариот

Генетический аппарат бактерий и архебактерий представлен не только главной кольцевой молекулой, но и меньшими кольцевыми образованиями – плазмидами. Их обнаружение положило начало генной инженерии как науке и стало тонким инструментом для манипуляций с геномом.

Ядерное вещество у всех бактерий представлено одной молекулой ДНК, имеющей вид кольца. В их клетках отсутствует ядерная мембрана, да и других внутриклеточных мембран чаще всего тоже нет. Исключение составляют некоторые цианеи, у которых обнаружены мембранные пузырьки, обеспечивающие работу фотосинтетического аппарата.

За время, пока ученые искали ответ, чем представлен генетический аппарат бактерий и как происходит передача иммунитета к вирусной инфекции от одной клетке к целой колонии, они выявили в цитоплазме маленькие кольцевые ДНК. Эти элементы способны при помощи ферментных систем размыкаться, включая в себя полезные гены, замыкаться вновь и производить процесс передачи генов между бактериальными клетками во время конъюгации (слипания).

В настоящее время бактериальные плазмиды сделали доступным процесс внедрения полезных генов в геномы растений или культур, используемых для производства питательных веществ или лекарств.

Способы питания

В зависимости от того, способны ли бактерии самостоятельно синтезировать органические вещества, их делят на две большие группы.

1. Автотрофы. Способны из неорганических веществ и углекислого газа синтезировать сахара, при помощи фото- или хемосинтеза.
2. Гетеротрофы. Требуют для жизни готовой органики (например, брожение). Делятся на сапрофитов, питающихся мертвыми органическими остатками, симбионтов, вступающих во взаимовыгодные союзы с высшими растениями, и паразитов, живущих за счет организмов-хозяев.

Еще одна классификация основана на том, как бактерии организуют окисление субстрата. Различают литотрофные организмы, способные окислять неорганические субстраты и органотрофные, для которых возможно только окисление органических веществ.

Полезные организмы

Человек уже несколько тысячелетий использует брожение как способ приготовления вкусных и полезных блюд и напитков. Расщепление сахаров с образованием различных кислот позволяет сохранить продукты питания и обогатить их витаминами, которые вырабатывают бактерии. Несмотря на это, ответ на вопрос о том, как же происходит брожение, был найден относительно недавно после открытия бактерий.

Брожение представляет собой разновидность анаэробного (без участия кислорода) разложения органических веществ, чаще всего – сахаров. Оно осуществляется при помощи специальных ферментов бактерий, способных окислять сахара с образованием энергии. Квашение представляет собой разновидность брожения, в результате которого образуется молочная кислота, способная консервировать продукты и делать их более мягкими. Кроме консервации овощей, применяется при выделке кожи. Хорошо известно также брожение, которое представляет собой процесс, происходящий под действием бактерий и собственных ферментов растений, – ферментация.

В зависимости от образующихся в результате веществ различают такие процессы:

• спиртовое брожение,
• молочнокислое брожение,
• уксуснокислое брожение,
• маслянокислое брожение.

Продукты питания обычно представляют собой результат деятельности культурных штаммов бактерий. Их поддержанием занимаются профильные микробиологические лаборатории.