Наши соперники и помощники, или Особенности существования бактерий

Первыми живыми существами, появившимися на нашей планете, были бактерии. Эти удивительные организмы умудряются существовать, опираясь на возможности одной-единственной клетки. У большинства бактерий особенности строения, питания, размножения изучены достаточно полно, что позволяет широко использовать их в биотехнологии.

появление бактерий

Метаболизм одноклеточных и скорость их размножения в десятки тысяч раз выше, чем у других живых существ. Их приспособляемость к изменяющимся внешним условиям и способности к выживанию намного превышают возможности любого другого организма в природе. Почему же бактерии до сих пор не заполонили всю нашу планету? При отсутствии природных сдерживающих факторов (конкуренция, недостаток пищи, особенности размножения и пр.) такое вполне могло бы произойти.

Шарики, палочки, цепочки, звездочки…

Нет, это не новогодние украшения, это варианты внешнего вида одноклеточных. Морфологические признаки (размер, форма и строение) микроорганизмов в природе весьма разнообразны. Бактерии разделяются на:

  • кокки (шарообразная или округлая форма);
  • палочки;
  • спирали (извитая форма);
  • есть звездчатые, кубические, С-образные и т. д.

формы бактерий

Кокки могут встречаться:

  • одиночные (микрококки);
  • сцепленные по две клетки (диплококки);
  • по четыре клетки (тетракокки);
  • образовывать цепочку последовательно соединенных клеток (стрептококки);
  • принимать форму виноградной грозди (стафилококки).

Размеры бактерий варьируются от самых маленьких (бруцеллы) до средних (кишечная палочка) и самых крупных (бациллы). Диаметр кокков находится в интервале 0,5 –2,5 мкм, палочки и спирали вырастают до 0,1–2 мкм (отдельные клетки), а их соединение может достигать 10 мкм (палочковидные) и 50 мкм (спирали).

Палочковидные формы различают:

  1. По форме концов:
  • плоские (рубленные);
  • полусферы (округленные);
  • конусовидные (заостренные);
  • с утолщением.

2. По характеру соединений:

  • одиночные клетки;
  • соединенные парами;
  • образующие цепь (стрептобактерии).

Строго говоря, спиралевидные формы тоже относят к палочковидным. Их различают по числу и виду завитков:

  • немного изогнутые (вибрионы);
  • единичный завиток или небольшое их количество (спириллы);
  • больше четырех завитков (борелли имеют 4–12 шт., трепонемы от 14 до 17);
  • форма похожа на латинскую S (лептоспиры).

Разнообразие бактерий в продуктах

Особенности формы определяют свойства клеток – их подвижность, прикрепление к поверхности, всасывание питания. Все это многообразие относится только к наружному виду клеток.

«Архитектура» бактерий

Строение микроорганизмов достаточно простое – единственная клетка, ограниченная оболочкой, содержит цитоплазму с молекулой ДНК, замкнутой в кольцо (нуклеоид). Как правило, бактерии довольствуются одной клеткой. Но в любом уважающем себя правиле просто обязаны быть исключения. Особенностью нитчатых цианобактерий и актиномицет является их многоклеточное строение. Правда, биологи так и не пришли к однозначному выводу – считать ли эти микроорганизмы бактериями или отнести к царству растений.

Строение бактериальной клетки: плазмиды

Клетка прокариота (безъядерного организма) в обязательном порядке имеет:

  • клеточную оболочку (наружный защитный слой, бывает грамположительного и грамотрицательного типа);
  • мембрану (тонкий барьер между цитоплазмой и стенкой клетки);
  • цитоплазму (полужидкая среда, содержащая ДНК (нуклеоид) и молекулы РНК (рибосомы).

К дополнительным структурам клетки относят капсулы, жгутики, пили, различные включения и споры. Капсулы широко распространены, т.к. образуются, как правило, в ответ на агрессивную внешнюю среду. Споры нужны, чтобы выжить в неблагоприятных природных условиях. Включения могут иметь функциональное значение или представляют собой запас питательных веществ. С помощью жгутиков клетка получает возможность перемещаться, а пили помогают прикрепиться к поверхности.

Оболочка бактерий

Клеточная стенка берет на себя все механические и физиологические функции, т.е. она отвечает за наружную форму, предохраняет от механических повреждений, обеспечивает транспорт питательных веществ внутрь клетки и выведение отходов наружу.

Особенности строения наружной оболочки хорошо заметны при окрашивании по методу датского врача Грама:

  • Грамположительные (т.е. удерживающие краситель) микроорганизмы имеют более толстую оболочку. Их стенка состоит из одного слоя, без внешней мембраны, как у грамотрицательных.
  • Грамотрицательные не удерживают краситель и после промывки остаются практически бесцветными. Их клеточная стенка намного тоньше, чем у грамположительных, однако она состоит из двух слоев – клеточной оболочки и наружной мембраны.

Строение клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий

Метод разделения клеток на грамположительные и грамотрицательные особенно важен в медицине и вот почему – большая часть патогенных бактерий, опасных для здоровья, относится к грамположительным. Грамотрицательные микроорганизмы относятся к условно-патогенным, т. е. их наличие в организме не обязательно вызовет заболевание (только при определенных условиях).

Что внутри?

Тонким слоем между оболочкой и цитоплазмой располагается мембрана. Она отвечает за удерживание жидкости в клетке, поступление питательных веществ, осуществляет синтезирование наружной стенки и образование споров. Кроме того, именно в мембране идет процесс дыхания, фиксация азота, хемосинтез и другие процессы, необходимые для существования клетки в природе.

Нуклеоид, он же генофор или бактериальная хромосома, – это замкнутая молекула ДНК, содержащая всю информацию, обязательную для выживания клеток. В их цитоплазме могут быть разрозненные фрагменты или дополнительная ДНК (плазмиды), несущие полезную, но не обязательную информацию.

Нуклеоид бактериальной клетки

Совокупность генов (геном) бактериальной клетки определяет ее свойства и морфологические признаки. Прокариоты обычно имеют одну замкнутую хромосому, однако есть клетки с двумя кольцевыми хромосомами или одной кольцевой и большой плазмидой (фрагмент ДНК), т. е. обладают сложным геномом.

Один из самых важных органоидов бактерий – рибосома. Именно в ней происходит синтез белка из аминокислот на основе генетической информации, записанной в матричной РНК. Еще один компонент прокариотической (безъядерной) клетки – везикулы (пузырьки), образованные складками мембраны внутри бактерии. Особенность прокариот в том, что все внутренние образования состоят только из цитоплазматической мембраны. Везикулы могут выполнять роль хлоропластов (у фототрофных и нитрифицирующих бактерий) или газовых вакуолей для регуляции плотности цитоплазмы.

Особенность химического состава прокариот в том, что 70–80% содержимого клетки составляет вода. Если исключить жидкость, то половину сухого остатка составляет белок (50%), а оставшееся распределяется следующим образом:

  • 10–20% материал оболочки;
  • 10% липиды;
  • 10–20% РНК;
  • 3–4% ДНК.

Химический состав бактериальной клетки

В состав клетки входят: углерод (50%), кислород (20%), азот (14%) и немного водорода (8%). Из минеральных составляющих присутствуют фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний и микроэлементы (медь, цинк, барий, марганец и т. д.).

Способы получения энергии

Бактерии способны получать энергию как из органических, так и из неорганических веществ. Процесс получения питания идет по всей поверхности микроорганизма. Скорость метаболизма и размножения прокариот очень высока, в особенности в комфортных условиях. Например, обычные дрожжи, если их не ограничивать, за сутки могут увеличить свою массу в 50 тысяч раз.

Кстати, помимо применения в пищевой промышленности, дрожжи применяют в биотехнологии для производства ксилита (заменитель сахара), ферментов, пищевых добавок и даже для очистки водоемов от нефтяных пятен.

В зависимости от типа питания микробы делятся на:

  1. Автотрофы («самопитающиеся») – клетки, вырабатывающие органические соединения из неоргаников. По энергии, применяемой для обмена веществ, их можно разделить на:
  • фототрофы – бактерии, живущие за счет солнечной энергии (фотосинтез);
  • хемотрофы – организмы, получающие энергию от химических реакций окисления, это нитрифицирующие бактерии, серобактерии, железобактерии и др.

2. Гетеротрофы («иная пища») – организмы, использующие готовые органические вещества. По используемым источникам пищи их разделяют на:

  • сапрофиты разлагают отмершие органические остатки;
  • паразиты получают питательные компоненты из живых клеток.

Виды бактерий по способу питания

Фототрофы и хемотрофы, с помощью энергии солнца и неорганических веществ, создают строительный материал для органических соединений. Паразиты существуют и размножаются на живых клетках, это патогенные и условно-патогенные бактерии. Именно они провоцируют болезни.

В природе сапрофиты разлагают отмершие органические фрагменты с помощью сапротрофного питания на неорганические и простейшие органические соединения. Именно сапрофиты замыкают круг, возвращая в природу питательные компоненты, годные для дальнейшего использования иными организмами.

В последнее время для характеристики типов питания все чаще используют новые термины «органотрофы» и «литотрофы», и вот почему:

  • органотрофы – бактерии, использующие органические вещества;
  • литотрофы (греч. «литос» – камень) – микроорганизмы, живущие на минеральных средах.

Однако четко разделить бактерии по особенностям питания довольно сложно – некоторые микробы легко изменяют способ получения энергии, приспосабливаясь к природе окружающей среды.

Одно из главных условий для размножения бактерий – определенные ферменты, называемые факторами роста. Начало деления клетки происходит под действием особого ферментативного аппарата (отрезка ДНК), содержащего информацию об удвоении генома. Однако самостоятельно синтезировать ферменты они не могут. Вот почему бактериям необходимы готовые соединения (витамины, аминокислоты для синтеза белка) и прочие вещества. Эту особенность бактерий широко применяют в биохимических технологиях, регулируя их прирост.

Особенности дыхания клетки

Кислород микроорганизмы воспринимают по-разному:

  • анаэробы прекрасно обходятся без воздуха;
  • для строгих или облигатных анаэробов наличие молекулярного кислорода недопустимо;
  • аэробы живут только в кислородсодержащей среде.

способы дыхания бактерий

Принцип дыхания бактерий прямо противоположен нашему. Человек извлекает энергию из еды и направляет ее на поддержание жизнедеятельности. Бактерии, напротив, берут энергию в процессе дыхания при биологическом окислении и применяют ее для обмена веществ.

Микроорганизмам нужны разные условия для выживания:

  • строгим аэробам необходимо 20% кислорода;
  • микроаэрофилы довольствуются меньшим процентом, но кислород им все равно необходим;
  • факультативные анаэробные, к которым относится большинство болезнетворных микробов, спокойно существуют в кислородосодержащей среде и бескислородной, меняя типы дыхания;
  • для строгих анаэробов наличие свободного кислорода совершенно недопустимо.

Процесс брожения или разложение органики анаэробами сопровождается выбросом энергии. В биотехнологиях широко используются многие виды брожения: спиртовое, молочнокислое, масляно-кислое и т. д. Кстати, выделение тепла при гниении торфа, сена или хлопка иногда приводит к пожарам. Именно этим объясняется, почему торфяники могут самовозгораться в жаркий период.

Почему важны биотехнологии

Биотехнология как наука изучает возможность использования живых организмов и продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач. Одно из направлений биологической технологии – генная инженерия, направленная на изучение генома и создание искусственно выращенных организмов с заранее определенными свойствами. Никому не нужно объяснять, почему это жизненно важно. Строго говоря, выведение различных пород скота или создание новых гибридов растений – это тоже биотехнологии, изменяющие геном живого организма.

генная инженерия

Не только инженерия, медицина, фармакология имеют приставку «био». В последнее время активно развивается сравнительно новая дисциплина – биоинформатика. Благодаря математическим методам и высоким технологиям ученые получают возможность исследовать геномы живых существ, построить объемные модели белка, изучить стратегию существования и управления сложных биологических систем.

Генная и клеточная инженерия, нанотехнологии, различные биотехнологии и другие современные разделы науки широко используют особенности одноклеточных, создавая новые формы жизнеспособных организмов, способных помочь человечеству в борьбе за более комфортное и безопасное существование.

Похожие статьи:
Загрузка...

__________________________

Остались вопросы? Задайте их в комментариях к статье, мы обязательно ответим