Бактерия – это безъядерный организм, который в большинстве случаев является одноклеточным. Существует около 1 миллиона видов бактерий, из которых описано только 10 000. Наука, которая активно изучает бактерии, называется – бактериология.

Так как бактерия очень маленькая, то увидеть ее мы можем лишь под микроскопом и выглядят бактерии по-разному. Чаще всего бактерии не имеют цвета, но есть исключения в виде пурпурного и зеленого цвета. Существует классификация по форме клеток. Они могут быть:

• Округлыми;
• палочковидными;
• извитыми;
• звездчатыми;
• тетраэдрическими;
• кубическими;
• С-образными;
• О-образными.

В клетке бактерии обязательно должны присутствовать: нуклеоид, рибосомы, цитоплазматическая мембрана. Размеры бактерии очень маленькими – 0,5-5 мкм, а вес около 4·10 −13 г.

Питание, дыхание и передвижение бактерий

По принципу получения энергии их делят на две группы – фотосинтезирующие, которые используют энергию Солнца и хемосинтезирующие, использующие энергию химических реакций.

Процесс дыхания у бактерий также делится на два способа – аэробное и анаэробное. Первый способ используется там, где есть кислород. Второй же способ, соответственно, используется в бескислородной среде.

Большинство бактерий имеют способность к передвижению. Существует несколько способов перемещения — при помощи жгутиков, при помощи аксиальных нитей и при помощи скольжения. Но встречаются и те, кто передвигаться неспособен.

Размножение бактерий

Если говорить о размножении, то бактерии могут размножаться как половым, так и бесполым путем. Для большинства характерен бесполый способ размножения путем деления или почкообразования. При половом размножение происходит передача ДНК от клетки донора к клетке-реципиенту.

Бактерия и Вирус

Очень часто можно встретить людей, которые считают, что вирус и бактерия это одно и то же. Но это не так. Вирус от бактерии можно отличить в следующих пунктах:

• Вирус – неклеточная форма жизни;
• вирус в несколько раз меньше, чем бактерия;
• вирус не может размножаться;
• вирус не может сохранять свою «жизнь» вне живого организма;
• полезных вирусов не бывает.

Бактерия, как мы видели выше, совершенно иная форма жизни, отличная от вируса.

Бактерии и человек

Человек использовал бактерии издавна для производства продуктов питания. На сегодняший день разработаны способы и методы безопасного выращивания и использования бактерий. Они активно применяются в фармацевтике, косметологии, в пищевой и легкой промышленности. Многие научные проекты по очищению мирового океана и земных недр завязаны на бактериях.

Большое количество бактерий обитает и в организме человека. Они переваривают вещества, синтезируют витамины. Существуют также болезнетворные бактерии, провоцирующие заболевания. Попадают в организм зачастую через пищу.

Существует множество методов и способов борьбы с бактериями в еде. Это – пропаривание, пастеризация, стерилизация, обработка ультрафиолетовым излучением, воздействие низких температур, санация. В результате применения этих способов происходит создание неблагоприятной среды, в которой бактерии погибают.

Это одноклеточные растительные организмы, многие из которых являются возбудителями заразных заболеваний человека.

Размеры бактерий колеблются в пределах от десятых долей микрона до нескольких микронов. По форме бактерии подразделяют на: 1) кокки - бактерии шаровидной формы; 2) палочковидные бактерии; 3) - бактерии, имеющие форму извитых нитей; 4) - бактерии в форме изогнутых палочек. Спорообразующие палочки называют бациллами, не образующие спор - бактериями. Среди бацилл различают палочки, диплобациллы, стрептобациллы.

Все бактерии покрыты клеточной оболочкой, которая плотно облегает цитоплазматическую мембрану. Оболочка снаружи окружена у многих видов бактерий слоем слизи - капсулой, определяющей ряд свойств бактерий, в частности их (например, пневмококков). Многие бактерии имеют жгутики и способны активно двигаться в жидкой среде. Количество и характер расположения жгутиков по поверхности бактериальной клетки - одна из важнейших характеристик бактерий. Прилегающая к оболочке цитоплазматическая мембрана регулирует процессы проникновения различных веществ внутрь клетки и выход продуктов обмена во внешнюю среду. Основная часть бактериальной клетки-отграниченная мембраной цитоплазма - при рассматривании в микроскоп выглядит как гомогенная масса, в ней отсутствуют характерные для большинства других растительных клеток органоиды - пластиды. Благодаря сложной молекулярной структуре цитоплазмы в ней совершаются биохимические реакции, составляющие обмен веществ - метаболизм, в ходе которого бактерии синтезируют из питательных веществ ряд компонентов, в том числе и определяющих их . содержит бактериальные - биологические катализаторы белковой природы, без участия которых невозможны реакции метаболизма. В отличие от клеток высших организмов, ядерная структура бактерий - нуклеоид - не отграничена от цитоплазмы мембраной, не имеет определенной формы и делится амитотическим путем. Деление нуклеоида предшествует делению бактериальной клетки. Половой процесс у бактерий заключается в переносе генетического материала из мужской клетки в женскую при непосредственном контакте двух бактерий - конъюгации (см. ).

Помещенные на твердые питательные среды бактерии начинают расти - увеличивается масса отдельных клеток и их число - образуются бактериальные колонии. Процесс роста бактерий в жидкой питательной среде можно подразделить на четыре фазы, соответствующие различным этапам размножения и роста . В течение первого часа или двух часов после внесения в питательную среду бактерии практически не делятся, но увеличиваются в размерах. Этот период называют лагфазой. Затем наступает логарифмическая фаза роста, на протяжении которой бактерии делятся с постоянной скоростью (она длится несколько часов). Ее сменяет стационарная фаза, когда число клеток в культуре остается постоянным. И, наконец, клетки в культуре начинают отмирать - наступает фаза логарифмической гибели бактерии.

Питательные потребности бактерий разнообразны: некоторые формы способны расти, используя простые соединения - и ионы аммония; другие требуют присутствия органических источников азота, и других сложных органических веществ, в том числе витаминов (см. ниже Бактериальные факторы роста). Бактерии нуждаются также в достаточной окружающей среды, оптимальном количестве кислорода и т. п. (см. ). При различных неблагоприятных воздействиях наступает гибель бактерий. Наиболее сильное бактерицидное действие (см. ) оказывают повышенная температура, ультрафиолетовые лучи и некоторые химические соединения. Эти факторы используются, как правило, при .

Некоторые виды бактерий образуют , способные долго сохраняться в неблагоприятных условиях (высокая температура, высушивание).

Важнейшей характеристикой бактерий является их антигенный состав. бактерий разделяются на несколько групп (например, жгутиковые антигены, капсульные антигены и т. п.). Существуют групповые антигены - общие для нескольких видов бактерий, и специфические - присущие только данному виду бактерий. Антигенные свойства бактерий являются основой для образования специфического иммунитета (см.). Диагностика многих бактериальных заболеваний основана на определении различий бактерий в их антигенном строении (см. ).

В основе патогенности (см.) бактерий лежит их способность при размножении в организме человека образовывать (см.). Некоторые патогенные бактерии не способны размножаться в макроорганизме, однако выделяют сильные экзотоксины, которые, попадая в организм человека (например, с пищей), вызывают заболевания. В некоторых случаях (например, при ослаблении защитных реакций макроорганизма) заболевание могут вызвать и бактерии, обычно не считающиеся патогенными для человека.

Бактериальные факторы роста (бактериальные витамины, биос) - вещества органического происхождения, необходимые для жизнедеятельности бактерий, которые сами клетки синтезировать не способны. Каждый штамм или вид бактерии нуждается в определенном наборе и концентрации этих веществ, которые добавляют в питательные среды. К биосу относятся

L-формы образуются при воздействии на бактерии пенициллина, лизоцима, дыхательных ядов; они возникают также при недостатке веществ, необходимых для синтеза оболочки бактериальной клетки. По прекращении действия агента L-формы постепенно превращаются в исходные микроорганизмы.

Царство «Бактерии» состоит из бактерий и сине-зеленых водорослей, общая характеристика которых заключается в малой величине и отсутствии разделенного мембраной от цитоплазмы ядра.

Кто такие бактерии

В переводе с греческого «bakterion» – палочка. Большей частью, микробы – это невидимые невооруженным глазом одноклеточные организмы, размножающиеся делением.

Кто их открыл

Впервые увидеть мельчайших одноклеточных в самодельный микроскоп смог исследователь из Голландии, живший в 17 веке, Антони Ван Левенгук. Изучать окружающий мир через увеличительное стекло лупы он начал во время работы в галантерейном магазине.

Антони Ван Левенгук (1632 — 1723)

В дальнейшем Левенгук сосредоточился на изготовлении линз, способных к увеличению до 300 раз. В них он рассматривал мельчайшие микроорганизмы, описывая полученную информацию и перенося увиденное на бумагу.

В 1676 году Левенгук обнаружил и изложил сведения о микроскопических существах, которым дал название «анималькули».

Чем питаются

Мельчайшие микроорганизмы существовали на Земле задолго до появления человека. Они имеют повсеместное распространение, питаясь органической пищей и неорганическими веществами.

По способам усвоения питательных веществ бактерии принято делить на автотрофные и гетеротрофные. Для существования и развития гетеротрофы используют отходы жизнедеятельности, органического разложения живых организмов.

Представители бактерий

Биологами выделено около 2500 групп различных бактерий.

По форме их подразделяют на:

• кокки, имеющие шарообразные очертания;
• бациллы – в форме палочки;
• вибрионы, имеющие изгибы;
• спириллы – спиральной формы;
• стрептококки, состоящие из цепочек;
• стафилококки, образующие грозди, напоминающие виноградные.

По степени влияния на организм человека прокариотов можно разделить на:

• полезные;
• вредные.

К опасным для человека микробам относятся стафилококки и стрептококки, вызывающие гнойные заболевания.

Полезными считаются бактерии бифидо, ацидофилус, стимулирующие иммунитет и защищающие желудочно-кишечный тракт.

Как размножаются настоящие бактерии

Размножение всех видов прокариотов происходит в основном делением, с последующим ростом до исходной величины. Достигая определенного размера, взрослый микроорганизм распадается на две части.

Реже воспроизведение себе подобных одноклеточных выполняется почкованием и коньюгацией. При почковании на материнском микроорганизме вырастает до четырех новых клеток, с последующим отмиранием взрослой части.

Коньюгация считается простейшим половым процессом у одноклеточных. Чаще таким способом размножаются бактерии, обитающие в животных организмах.

Бактерии симбионты

Микроорганизмы, участвующие в пищеварении в кишечнике человека, это яркий пример бактерий симбионтов. Впервые симбиоз был открыт голландским микробиологом Мартином Виллемом Бейеринком. В 1888 году он доказал взаимовыгодное тесное сожительство одноклеточных и растений бобовых.

Обитая в корневой системе, симбионты, питаясь углеводами, снабжают растение атмосферным азотом. Таким образом, бобовые повышают плодородие, не обедняя почву.

Известно множество успешных симбиотических примеров с участием бактерий и:

• человека;
• водорослей;
• членистоногих;
• морских животных.

Микроскопические одноклеточные оказывают помощь системам человеческого организма, способствуют очищению сточных вод, участвуют в круговороте элементов и работают на достижение общих целей.

Почему бактерии выделяют в особое царство

Для этих организмов характерны мельчайшие размеры, отсутствие оформленного ядра и исключительное строение. Поэтому, несмотря на внешнее сходство, их нельзя отнести к эукариотам, обладающим оформленным клеточным ядром, ограниченным от цитоплазмы оболочкой.

Благодаря всем особенностям в XX веке ученые выделили их в отдельное царство.

Самые древние бактерии

Мельчайшие одноклеточные считаются первой зародившейся жизнью на Земле. Исследователи в 2016 году обнаружили в Гренландии сохранившиеся в погребенном состоянии цианобактерии возрастом около 3,7 миллиарда лет.

В Канаде найдены следы микроорганизмов, живших примерно 4 миллиарда лет назад в океане.

Функции бактерий

В биологии между живыми организмами и средой обитания бактерии выполняют следующие функции:

• переработка органических веществ в минеральные;
• фиксация азота.

В жизни человека одноклеточные микроорганизмы играют важную роль с первых минут рождения. Они обеспечивают сбалансированную микрофлору кишечника, оказывают влияние на иммунитет, занимаются поддержанием водно-солевого баланса.

Запасное вещество бактерий

Запасные питательные вещества у прокариота скапливаются в цитоплазме. Их накапливание происходит в благоприятных условиях, а потребляется в период голодания.

К запасным веществам бактерий относятся:

• полисахариды;
• липиды;
• полипептиды;
• полифосфаты;
• отложения серы.

Главный признак бактерий

Функцию ядра у прокариота выполняет нуклеоид.

Поэтому главным признаком бактерий является сосредоточение наследственного материала в одной хромосоме.

Почему представителей царства бактерии относят к прокариотам

Отсутствие оформленного ядра послужило причиной отнесения бактерий к прокариотным организмам.

Как бактерии переносят неблагоприятные условия

Микроскопические прокариоты способны длительное время переносить неблагоприятные условия, превращаясь в споры. Происходит потеря воды клеткой, значительное уменьшение объема и изменение формы.

Споры становятся нечувствительны к механическим, температурным и химическим воздействиям. Таким образом сохраняется свойство жизнеспособности и осуществляется эффективное расселение.

Заключение

Бактерии – древнейшая форма жизни на Земле, известная задолго до появления человека. Они присутствуют повсеместно: в окружающем воздухе, воде, в поверхностном слое земной коры. Местом обитания служат растения, животные, человек.

Активное изучение одноклеточных началось в XIX веке и продолжается по сей день. Данные организмы являются основной частью повседневной жизни людей и оказывают непосредственное влияние на существование человека.

Термин

История изучения

Основы общей микробиологии и изучения роли бактерий в природе заложили М. В. Бейеринк и С. Н. Виноградский .

Изучение строения бактериальной клетки началось с изобретением электронного микроскопа в 1930-е . В 1937 году Э. Чаттон предложил делить все организмы по типу клеточного строения на прокариот и эукариот, и в 1961 году Стейниер и Ван Ниль окончательно оформили это разделение. Развитие молекулярной биологии привело к открытию в 1977 году К. Вёзе коренных различий и среди самих прокариот: между бактериями и археями.

Строение

Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны . По форме клеток они могут быть округлыми (кокки), палочковидными (бациллы , клостридии , псевдомонады), извитыми (вибрионы , спириллы, спирохеты), реже - звёздчатыми, тетраэдрическими , кубическими, C- или O-образными. Формой определяются такие способности бактерий, как прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ. Отмечено, например, что олиготрофы , то есть бактерии, живущие при низком содержании питательных веществ в среде, стремятся увеличить отношение поверхности к объёму, например, с помощью образования выростов (т. н. простек).

Из обязательных клеточных структур выделяют три:

Строение протопласта

ЦПМ ограничивает содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды. Гомогенная фракция цитоплазмы, содержащая набор растворимых РНК , белков , продуктов и субстратов метаболических реакций, названа цитозолем . Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами.

Вся необходимая для жизнедеятельности бактерий генетическая информация содержится в одной ДНК (бактериальная хромосома), чаще всего имеющей форму ковалентно замкнутого кольца (линейные хромосомы обнаружены у Streptomyces и Borrelia ). Она в одной точке прикреплена к ЦПМ и помещается в структуре, обособленной, но не отделённой мембраной от цитоплазмы, и называемой нуклеоид . ДНК в развёрнутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, то есть практически все прокариоты гаплоидны , хотя в определённых условиях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосомы, а Burkholderia cepacia имеет три разных кольцевых хромосомы (длиной 3,6; 3,2 и 1,1 млн пар нуклеотидов). Рибосомы прокариот также отличны от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (80 S у эукариот).

Помимо этих структур, в цитоплазме также могут находиться включения запасных веществ.

Клеточная оболочка и поверхностные структуры

У бактерий существует два основных типа строения клеточной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам.

Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщиной 20-80 нм, построенный в основном из пептидогликана с меньшим количеством тейхоевых кислот и небольшим количеством полисахаридов , белков и липидов (так называемый липополисахарид). В клеточной стенке имеются поры диаметром 1-6 нм, которые делают её проницаемой для ряда молекул.

У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2-3 нм. Он окружён наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривлённую форму. Между ЦПМ, слоем пептидогликана и внешней мембраной имеется пространство, называемое периплазматическим , и заполненное раствором, включающим в себя транспортные белки и ферменты .

С внешней стороны от клеточной стенки может находиться капсула - аморфный слой, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру. Однако между этими тремя идеализированными случаями есть множество переходных форм.

Размеры

Bacillus subtilis после окрашивания по Граму. Серые овальные структуры - эндоспоры

Размеры бактерий в среднем составляют 0,5-5 мкм . Escherichia coli , например, имеет размеры 0,3-1 на 1-6 мкм , Staphylococcus aureus - диаметр 0,5-1 мкм , Bacillus subtilis - 0,75 на 2-3 мкм . Крупнейшей из известных бактерий является Thiomargarita namibiensis , достигающая размера в 750 мкм (0,75 мм ). Второй является Epulopiscium fishelsoni , имеющая диаметр 80 мкм и длину до 700 мкм и обитающая в пищеварительном тракте хирурговой рыбы Acanthurus nigrofuscus . Achromatium oxaliferum достигает размеров 33 на 100 мкм , Beggiatoa alba - 10 на 50 мкм . Спирохеты могут вырастать в длину до 250 мкм при толщине 0,7 мкм . В то же время к бактериям относятся самые мелкие из имеющих клеточное строение организмов. Mycoplasma mycoides имеет размеры 0,1-0,25 мкм , что соответствует размеру крупных вирусов , например, табачной мозаики, коровьей оспы или гриппа . По теоретическим подсчётам, сферическая клетка диаметром менее 0,15-0,20 мкм становится неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не могут поместиться все необходимые биополимеры и структуры в достаточном количестве.

Staphylococcus aureus в том же увеличении

Многоклеточный организм должен отвечать следующим условиям:

• его клетки должны быть агрегированы,
• между клетками должно осуществляться разделение функций,
• между агрегированными клетками должны устанавливаться устойчивые специфические контакты.

Многоклеточность у прокариот известна, наиболее высокоорганизованные многоклеточные организмы принадлежат к группам цианобактерий и актиномицетов . У нитчатых цианобактерий описаны структуры в клеточной стенке, обеспечивающие контакт двух соседних клеток - микроплазмодесмы . Показана возможность обмена между клетками веществом (красителем) и энергией (электрической составляющей трансмембранного потенциала). Некоторые из нитчатых цианобактерий содержат помимо обычных вегетативных клеток функционально дифференцированные: акинеты и гетероцисты . Последние осуществляют фиксацию азота и интенсивно обмениваются метаболитами с вегетативными клетками.

Способы передвижения и раздражимость

Многие бактерии подвижны. Имеется несколько принципиально различных типов движения бактерий. Наиболее распространено движение при помощи жгутиков: одиночных бактерий и бактериальных ассоциаций (роение). Частным случаем этого также является движение спирохет , которые извиваются благодаря аксиальным нитям, близким по строению к жгутикам , но расположенным в периплазме. Другим типом движения является скольжение бактерий , не имеющих жгутиков, по поверхности твёрдых сред и движение в воде безжгутиковых бактерий рода Synechococcus . Его механизм пока недостаточно изучен; предполагается участие в нём выделения слизи (проталкивание клетки) и находящихся в клеточной стенке фибриллярных нитей, вызывающих «бегущую волну» по поверхности клетки. Наконец, бактерии могут всплывать и погружаться в жидкости, меняя свою плотность, наполняя газами или опустошая аэросомы.

Бактерии активно передвигаются в направлении, определяемом теми или иными раздражителями. Это явление получило название таксис .

Метаболизм

Конструктивный метаболизм

За исключением некоторых специфических моментов биохимические пути, по которым осуществляется синтез белков , жиров , углеводов и нуклеотидов , у бактерий схожи с таковыми у других организмов. Однако по числу возможных вариантов этих путей и, соответственно, по степени зависимости от поступления органических веществ извне они различаются.

Часть из них может синтезировать все необходимые им органические молекулы из неорганических соединений (автотрофы), другие же требуют готовых органических соединений, которые они способны лишь трансформировать (гетеротрофы).

Удовлетворять потребности в азоте бактерии могут как за счёт его органических соединений (подобно гетеротрофным эукариотам), так и за счёт молекулярного азота (как и некоторые археи). Большинство бактерий используют для синтеза аминокислот и других азотсодержащих органических веществ неорганические соединения азота: аммиак (поступающий в клетки в виде ионов аммония), нитриты и нитраты (которые предварительно восстанавливаются до ионов аммония). Фосфор они способны усваивать в виде фосфата , серу - в виде сульфата или реже сульфида .

Энергетический метаболизм

Способы же получения энергии у бактерий отличаются своеобразием. Существует три вида получения энергии (и все три известны у бактерий): брожение, дыхание и фотосинтез.

Типы жизни

Объединить типы конструктивного и энергетического метаболизма можно в следующей таблице:

Способы существования живых организмов (матрица Львова)
Источник энергии	Донор электрона	Источник углерода	Название способа существования	Представители
ОВР	Неорганические соединения	Углекислый газ	Хемолитоавтотрофия	Нитрифицирующие, тионовые, ацидофильные железобактерии
		Органические соединения	Хемолитогетеротрофия	Метанообразующие архебактерии, водородные бактерии
	Органические вещества	Углекислый газ	Хемоорганоавтотрофия	Факультативные метилотрофы, окисляющие муравьиную кислоту бактерии
		Органические соединения	Хемоорганогетеротрофия	Большинство прокариот, из эукариот: животные , грибы , человек
Свет	Неорганические соединения	Углекислый газ	Фотолитоавтотрофия	Цианобактерии , пурпурные , зелёные бактерии, из эукариот: растения
		Органические соединения	Фотолитогетеротрофия	Некоторые цианобактерии, пурпурные, зелёные бактерии
	Органические вещества	Углекислый газ	Фотоорганоавтотрофия	Некоторые пурпурные бактерии
		Органические вещества	Фотоорганогетеротрофия	Галобактерии , некоторые цианобактерии , пурпурные, зелёные бактерии

Из таблицы видно, что разнообразие типов питания прокариот гораздо больше, чем у эукариот (последние способны лишь к хемоорганогетеротрофии и фотолитоавтотрофии).

Размножение и устройство генетического аппарата

Размножение бактерий

Некоторые бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием . Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное деление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящий к образованию от 4 до 1024 новых клеток). Для обеспечения необходимой для эволюции и приспособления к изменчивой окружающей среде пластичности генотипа у них существуют иные механизмы.

Генетический аппарат

Гены, необходимые для жизнедеятельности и определяющие видовую специфичность, расположены у бактерий чаще всего в единственной ковалентно замкнутой молекуле ДНК - хромосоме (иногда для обозначения бактериальных хромосом, чтобы подчеркнуть их отличия от эукариотических, используют термин генофор (англ. genophore )). Область, где локализована хромосома, называется нуклеоид и не окружена мембраной. В связи с этим новосинтезированная мРНК сразу доступна для связывания с рибосомами, а транскрипция и трансляция сопряжены.

Отдельная клетка может содержать лишь 80 % от суммы генов, имеющихся во всех штаммах её вида (т. н. «коллективный геном»).

Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находятся плазмиды - также замкнутые в кольцо ДНК, способные к независимой репликации . Они могут быть настолько велики, что становятся неотличимы от хромосомы, но содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях. Специальные механизмы распределения обеспечивают сохранение плазмиды в дочерних клетках так что они теряются с частотой менее 10 −7 в пересчёте на клеточный цикл. Специфичность плазмид может быть весьма разнообразной: от присутствия лишь у одного вида-хозяина до плазмиды RP4, встречающейся почти у всех грамотрицательных бактерий. В плазмидах кодируются механизмы устойчивости к антибиотикам , разрушения специфических веществ и т. д., nif-гены, необходимые для азотфиксации также находятся в плазмидах. Ген плазмиды может включаться в хромосому с частотой около 10 −4 - 10 −7 .

В ДНК бактерий, как и в ДНК других организмов, выделяются транспозоны - мобильные сегменты, способные перемещаться из одной части хромосомы к другой, или во внехромосомные ДНК. В отличие от плазмид, они неспособны к автономной репликации, и содержат IS-сегменты - участки, которые кодируют свой перенос внутри клетки. IS-сегмент может выступать в роли отдельной транспозоны.

Горизонтальный перенос генов

У прокариот может происходить частичное объединение геномов. При конъюгации клетка-донор в ходе непосредственного контакта передаёт клетке-реципиенту часть своего генома (в некоторых случаях весь). Участки ДНК донора могут обмениваться на гомологичные участки ДНК реципиента. Вероятность такого обмена значима только для бактерий одного вида.

Аналогично бактериальная клетка может поглощать и свободно находящуюся в среде ДНК, включая её в свой геном в случае высокой степени гомологии с собственной ДНК. Данный процесс носит название трансформация . В природных условиях протекает обмен генетической информацией при помощи умеренных фагов (трансдукция). Кроме этого, возможен перенос нехромосомных генов при помощи плазмид определённого типа, кодирующих этот процесс, процесс обмена другими плазмидами и передачи транспозон.

При горизонтальном переносе новых генов не образуется (как то имеет место при мутациях), однако осуществляется создание разных генных сочетаний. Это важно по той причине, что естественный отбор действует на всю совокупность признаков организма.

Клеточная дифференциация

Клеточная дифференциация - изменение набора белков (обычно также проявляющееся в изменении морфологии) при неизменном генотипе.

Образование покоящихся форм

Расположение эндоспор: 1, 4 - центральное, 2, 3, 5 - терминальное, 6 - латеральное.

Образование особо устойчивых форм с замедленным метаболизмом, служащих для сохранения в неблагоприятных условиях и распространения (реже для размножения) является наиболее распространённым видом дифференциации у бактерий. Наиболее устойчивыми из них являются эндоспоры, формируемые представителями Bacillus , Clostridium , Sporohalobacter , Anaerobacter (образует 7 эндоспор из одной клетки и может размножаться с их помощью ) и Heliobacterium . Образование этих структур начинается как обычное деление и на первых стадиях может быть превращено в него некоторыми антибиотиками. Эндоспоры многих бактерий способны выдерживать 10-минутное кипячение при 100 °C, высушивание в течение 1000 лет и, по некоторым данным, сохраняются в почвах и горных породах в жизнеспособном состоянии миллионы лет.

Менее устойчивыми являются экзоспоры, цисты (Azotobacter , скользящие бактерии и др.), акинеты (цианобактерии) и миксоспоры (миксобактерии).

Другие типы морфологически дифференцированных клеток

Актиномицеты и цианобактерии образуют дифференцированные клетки, служащие для размножения (споры, а также гормогонии и баеоциты соответственно). Необходимо также отметить структуры, подобные бактероидам клубеньковых бактерий и гетероцистам цианобактерий, служащие для защиты нитрогеназы от воздействия молекулярного кислорода.

Классификация

Наибольшую известность получила фенотипическая классификация бактерий, основанная на строении их клеточной стенки, включённая, в частности, в IX издание Определителя бактерий Берги ( -). Крупнейшими таксономическими группами в ней стали 4 отдела: Gracilicutes (грамотрицательные), Firmicutes (грамположительные), Tenericutes (микоплазмы ; отдел с единственным классом Mollicutes) и Mendosicutes (археи).

В последнее время всё большее развитие получает филогенетическая классификация бактерий (и именно она используется в Википедии), основанная на данных молекулярной биологии. Одним из первых методов оценки родства по сходству генома был предложенный ещё в 1960-х годах метод сравнения содержания гуанина и цитозина в ДНК. Хотя одинаковые значения их содержания и не могут дать никакой информации об эволюционной близости организмов, их различия на 10 % означают, что бактерии не принадлежат к одному роду. Другим методом, произведшим в 1970-е настоящую революцию в микробиологии, стал анализ последовательности генов в 16s рРНК , который позволил выделить несколько филогенетических ветвей эубактерий и оценить связи между ними. Для классификации на уровне вида применяется метод ДНК-ДНК гибридизации . Анализ выборки хорошо изученных видов позволяет считать что 70 % уровень гибридизации характеризует один вид, 10-60 % - один род, менее 10 % - разные рода.

Филогенетическая классификация отчасти повторяет фенотипическую, так, группа Gracilicutes присутствует и в той и в другой. В то же время систематика грамотрицательных бактерий была полностью пересмотрена, архебактерии и вовсе выделены в самостоятельный таксон высшего ранга , часть таксономических групп разбита на части и перегруппирована, в одни группы объединены организмы с совершенно разными экологическими функциями, что вызывает ряд неудобств и недовольство части научного сообщества. Объектом нареканий становится и то, что проводится фактически классификация молекул, а не организмов.

Происхождение, эволюция, место в развитии жизни на Земле

Докембрийский строматолит

Бактерии наряду с археями были одними из первых живых организмов на Земле, появившись около 3,9-3,5 млрд лет назад. Эволюционные взаимоотношения между этими группами ещё до конца не изучены, есть как минимум три основные гипотезы : Н. Пэйс предполагает наличие у них общего предка протобактерии, Заварзин считает архей тупиковой ветвью эволюции эубактерий, освоившей экстремальные местообитания; наконец, по третьей гипотезе археи - первые живые организмы, от которых произошли бактерии.

Патогенные бактерии

Опасность бактериальных заболеваний была сильно снижена в конце XIX века с изобретением метода

Бактерии – мельчайшие древнейшие микроорганизмы, невидимые невооруженным глазом. Лишь под микроскопом можно рассмотреть их строение, вид и взаимодействие друг с другом. Первые микроорганизмы имели примитивное строение, они развивались, мутировали, создавали колонии, приспосабливались под меняющуюся среду обитания. Бактерии разных видов обмениваются друг с другом аминокислотами, которые необходимы для роста и развития.

Разновидности бактерий

В школьных учебниках биологии размещены изображения разных видов бактерий, отличающихся по форме:

1. Кокки – шарообразные организмы, отличающиеся по взаимному расположению. Под микроскопом заметно, что стрептококки представляют цепочку шариков, диплококки живут попарно, стафилококки – скопления произвольной формы. Ряд кокков вызывает различные воспалительные процессы, попадая в организм человека (гонококк, стафилококк, стрептококк). Не все кокки, живущие в организме человека, являются патогенными. Условно патогенные виды принимают участие в формировании защиты организма от внешних воздействий и безопасны при соблюдении баланса флоры.
2. Палочковидные отличаются формой, размером и способностью к спорообразованию. Спорообразующие виды называются бациллами. К бациллам относятся: палочка столбняка, палочка сибирской язвы. Споры – это образования внутри микроорганизма. Споры нечувствительны к химической обработке, их устойчивость к внешним воздействиям – залог сохранения вида. Известно, что споры разрушаются при высокой температуре (выше 120ºС).

Формы палочковидных микробов:

• с заостренными полюсами, как у фузобактерии, входящей в состав нормальной микрофлоры верхних дыхательных путей;
• с утолщенными полюсами, напоминающими булаву, как у коринебактерии – возбудителя дифтерии;
• с закругленными концами, такими как у кишечной палочки, которая необходима для процесса пищеварения;
• с прямыми концами, как у палочки-возбудителя сибирской язвы.

Большинство палочковидных бацилл и бактерий по отношению друг к другу располагаются хаотично. Можно выделить стрептобактерии (стрептобациллы), которые расположены цепочкой, и диплобактерии (диплобациллы), существующие в паре.

3. Спириллы и спирохеты – микроорганизмы извитой формы. Они не образуют спор, очень подвижны. Под микроскопом можно увидеть их быстрые движения. Большинство спирилл безопасны для человека и животных. Это сапрофиты, питаются неживыми субстратами. Исключение составляют виды, вызывающие содоку. Спирохеты более опасны для человека и животных, способны вызывать заболевания кожных покровов, дыхательных путей, ЖКТ. Спириллы отличаются от спирохет меньшим количеством завитков и наличием жгутиков на полюсах.

4. Вибрионы – вибрирующие микробы. При рассмотрении под микроскопом можно увидеть их вибрирующие движения. Микроорганизм меняется в зависимости от условий среды обитания. Вибрионы бывают спиралевидной, палочковидной, нитевидной, шаровидной формы. Самым опасным для человека является вибрион холеры.

Грам(+) и грам (-)

Датский микробиолог Ганс Грам более 100 лет назад провел опыт, после которого все бактерии стали относиться к грамположительным и грамотрицательным. Грамположительные организмы создают с окрашивающим веществом длительную устойчивую связь, которая усиливается при воздействии йода. Грамотрицательные, наоборот, не восприимчивы к красителю, их оболочка прочно защищена.

К грамотрицательным микробам относятся хламидии, риккетсии, к грамположительным – стафилококки, стрептококки, коринебактерии.

Сегодня в медицине широко используется тест на грамм(+) и грамм(-) бактерии. Окрашивание по Граму является одной из методик исследования слизистых оболочек на определение состава микрофлоры.

Аэробные и анаэробные

Самые примитивные бактерии живут глубоко под водой. Для развития им не нужен доступ к кислороду. Более развитые колонии выбрались на сушу и живут на поверхностях. Для размножения и развития колонии этим микроорганизмам нужен кислород. Учитывая зависимость от кислорода, группы микроорганизмов носят названия аэробных и анаэробных.

Аэробные микроорганизмы нуждаются в кислороде для развития и дыхания:

Облигатные аэробы – эти бактерии свободно живут во внешней среде. В качестве примера можно привести туберкулезную палочку, которая устойчива к окружающей среде, сохраняется в воде до 5 месяцев, а во влажном, теплом и темном помещении до 7 лет.

Микроаэрофилы – этим микробам достаточно 2% содержания кислорода для нормальной жизни и развития. Ими являются стрептококки, вызывающие фарингит, скарлатину и живущие в дыхательных путях. При выращивании микробов в жидкой среде эти организмы скапливаются недалеко от поверхности, там, где содержание кислорода невысокое.

Анаэробные микроорганизмы способны расти и размножаться без кислорода:

• облигатные анаэробы избегают молекулярного кислорода (например, фузобактерии);
• факультативные способны к росту и развитию в присутствии кислорода и без него, это могут быть стрептококки, гонококки;
• аэротолерантные микроорганизмы не используют кислород для развития, хотя растут в присутствии молекулярного кислорода, как бактерии молочнокислого брожения.

Как живут бактерии

Биологи определяют бактерии в отдельное царство, они отличаются от других живых существ. Это одноклеточный организм без ядра внутри. Их форма может быть в виде шарика, конуса, палочки, спирали. Для перемещения прокариоты пользуются жгутиками.

Биопленка – это город для микроорганизмов, проходит несколько стадий формирования:

• Адгезия или сорбция – прикрепление микроорганизма к поверхности. Как правило, пленки образуются на границе двух сред: жидкость и воздух, жидкость и жидкость. Первоначальный этап обратим, формирование пленки можно предотвратить.
• Фиксация – бактерии выделяют полимеры, обеспечивая их прочное закрепление, формируют матрикс для прочности и защиты.
• Созревание – микробы сливаются, обмениваются питательными веществами, развиваются микроколонии.
• Этап роста – идет накопление бактерий, их слияние, вытеснение. Количество микроорганизмов составляет от 5 до 35%, все остальное пространство занимает межклеточный матрикс.
• Дисперсия – от пленки периодически отрываются микроорганизмы, которые прикрепляются к другим поверхностям и образуют биопленку.

Процессы, происходящие в биопленке, отличаются от того, что происходит с микробом, который не является составной частью колонии. Колонии стабильны, микробы организуют единую систему поведенческих реакций, определяя взаимодействие членов внутри матрикса и вне пленки. Слизистые оболочки человека населены большим количеством микроорганизмов, которые продуцируют гель для защиты и обеспечивают стабильность функционирования органов. Примером может служить слизистая оболочка желудка. Известно, что хеликобактер пилори, которые считаются причиной язвенной болезни желудка, есть более чем у 80% обследованных людей, но при этом язвенная болезнь развивается не у всех. Предполагают, что хеликобактер пилори, являясь членами колонии, участвуют в пищеварении. Их способность приносить вред проявляется лишь после создания определенных условий.

Взаимодействие бактерий в биопленках еще мало изучено. Но уже сегодня некоторые микробы стали помощниками человека при проведении реставрационных работ, увеличении прочности покрытий. В Европе производители дезинфектантов предлагают обрабатывать поверхности бактериальными растворами, содержащими безопасные микроорганизмы, которые не дают развиваться патогенной флоре. Бактерии используются для создания полимерных соединений, а также в перспективе будут вырабатывать электричество.

В одном эксперименте наблюдали за мутациями кишечной палочки. Бактерии разделили на разные группы: «победителей» и «аутсайдеров». «Победители» изначально имели полезные мутации в генах. Больше 20 лет группа ученых ежедневно меняла среду, держала микробов в состоянии нехватки глюкозы. Вопреки ожиданиям, микроорганизмы-«аутсайдеры», не имеющие конкурентного преимущества сначала, в ходе эволюции значительно раньше приобрели дополнительные мутации, показали лучшие результаты по адаптации, чем колонии с более развитыми генами на старте. Бактерии доказали, что хорошие стартовые данные не влияют на конечный результат.