Что такое бактерии?
Бактерии — это одноклеточные организмы, которые находятся практически везде: в земле, в океане, на ваших руках и в кишечнике. Некоторые из них вредны, но большинство не опасны, а иные даже полезны для здоровья человека. Нередко люди живут в симбиозе с бактериями, поддерживая взаимовыгодные отношения, даже не подозревая об этом. Итак, давайте разберемся в этой разнообразной группе одноклеточных организмов.
Бактерии — это организмы с уникальной внутренней структурой. Люди и другие многоклеточные организмы являются эукариотами, что означает, что наши клетки имеют отдельные ядра, связанные мембраной. Бактерии — прокариоты, то есть у них нет ни организованного ядра, ни каких-либо других связанных с мембраной органелл.
Бактериальная ДНК свободно плавает внутри их тел (клеток) в виде скрученной нити, называемой нуклеоидом. Некоторые бактерии также имеют отдельные кольцевые участки ДНК, называемые плазмидами. По данным Общества микробиологии, плазмиды часто содержат гены, которые помогают бактериям выживать — например, гены, передающие устойчивость к антибиотикам.
Бактерии не следует путать с другой группой прокариотов, называемой археями. Археи также являются одноклеточными организмами, но эти две группы различаются по видам молекул, которые они используют для построения своих клеточных стенок, и по предпочитаемым метаболическим процессам.
Структура
Бактерии имеют пять основных форм: сферическую, цилиндрическую, форму запятой, штопора и спирали. Научные названия этих форм — кокки (круглые), бациллы (цилиндрические), вибрионы (запятовидные), спирохеты (штопорообразные) и спириллы (спиралевидные). Формы и конфигурации бактерий часто отражаются в их названиях. Например, молочнокислые Lactobacillus acidophilus являются бациллами, а вызывающие пневмонию Streptococcus pneumoniae представляют собой цепочку кокков.
Бактериальные клетки обычно окружены внешней клеточной стенкой и внутренней клеточной мембраной. Некоторые бактерии, например, микоплазмы, вообще не имеют клеточной стенки. Другие бактерии могут даже иметь третий, наружный защитный слой, называемый капсулой. Поверхность бактерий часто покрыта хлыстовидными отростками: длинными — жгутиками, или короткими — пилями, которые помогают бактериям передвигаться и прикрепляться к организму, в котором они селятся.
Бактерии можно классифицировать по составу их клеточных стенок с помощью теста окрашивания по Граму. В ходе этого теста окрашиваются грамположительные бактерии, или бактерии, не имеющие внешней мембраны. Грамотрицательные бактерии, у которых есть внешняя мембрана, не окрашиваются. Например, Streptococcus pneumoniae — грамположительная бактерия, а Escherichia coli, которая может вызвать пищевое отравление, и Vibrio cholerae, вызывающая холеру, — грамотрицательные.
Если заглянуть под клеточную стенку и мембрану, бактерии содержат цитоплазму — раствор, состоящий в основном из воды и солей. Внутри цитоплазмы плавают нуклеоид, плазмиды и крошечные белковые фабрики, называемые рибосомами, там генетические инструкции клетки приводятся в действие. Некоторые антибиотики, например, тетрациклин, воздействуют на бактериальные рибосомы, не позволяя им синтезировать белки, что приводит к гибели клетки.
В цитоплазме некоторых бактерий также могут быть небольшие карманы, называемые включениями, где хранятся питательные вещества на черный день. Фотосинтезирующие бактерии, которые вырабатывают энергию из солнечного света, могут иметь структуры, называемые хроматофорами, разбросанные по всей их цитоплазме. Эти хроматофоры содержат пигменты, используемые в фотосинтезе.
Питание и размножение
Будучи одними из самых древних форм жизни на Земле, бактерии выработали головокружительное количество способов выживания. Некоторые бактерии питаются с помощью фотосинтеза, другие — мастерски разлагают гниющие органические материалы, превращая их в питательные вещества. Некоторые вступают в симбиотические, или взаимовыгодные, отношения с хозяином (подробнее об этом позже).
Большинство бактерий размножаются с помощью процесса, называемого бинарным делением. В этом процессе одна бактериальная клетка, называемая «родительской», создает копию своей ДНК и других органелл и увеличивается в размерах. Затем она разделяется, выталкивая дублированный материал наружу и создавая две идентичные «дочерние» клетки.
Некоторые виды бактерий, такие как цианобактерии и фирмикуты, размножаются путем почкования. В этом случае дочерняя клетка растет как отросток от родительской. Она начинается как маленький узелок, растет, пока не станет такого же размера, как родительская, а затем отделяется.
После бинарного деления или почкования ДНК родителей и потомков абсолютно одинаковы. Поэтому бактериальные клетки вносят изменения в свой генетический материал, интегрируя в свой геном дополнительную ДНК, часто из окружающей среды. Этот процесс известен как горизонтальный перенос генов. В результате генетические вариации обеспечивают бактериям возможность адаптироваться и выживать при изменении окружающей среды.
Существует три способа горизонтального переноса генов: трансформация, трансдукция и конъюгация.
Трансформация — это наиболее распространенный процесс горизонтального переноса генов, который происходит, когда бактерия поглощает короткие фрагменты ДНК из окружающей среды через свою клеточную мембрану. Фрагменты ДНК выделяются в окружающую среду другими бактериями. Для трансформации бактерия должна находиться в состоянии, называемом компетентностью. Обычно это состояние возникает при недостатке питательных веществ или высокой плотности колонии бактерий. В таких условиях может быть эволюционно выгодно изменить состав ДНК.
Трансдукция происходит, когда вирус берет ДНК одной бактерии и заражает другую бактерию, вставляя в нее новую последовательность генов. Конъюнкция происходит, когда бактерии вступают в прямой контакт. Клетка-донор протягивает трубкоподобный придаток, называемым пилусом, и напрямую передает ДНК клетке-реципиенту. Это происходит с Escherichia coli, в которой некоторые отдельные клетки несут особый тип плазмиды, известный как фактор фертильности или F-фактор. Эти клетки с F-фактором могут передавать ДНК клеткам, которые являются F-отрицательными. Конъюгация способствует распространению генов, повышающих устойчивость к антибиотикам.
Польза бактерий для человеческого здоровья
Многие бактерии полезны для человека. Мы используем их силу, чтобы превращать молоко в йогурт и готовить кимчи. Некоторые виды работают внутри нашего тела. По данным Общества микробиологии, в организме человека в 10 раз больше бактериальных клеток, чем человеческих, и многие из них живут в пищеварительном тракте. Эти бактерии получают постоянный поток питательных веществ из кишечника человека. Взамен они помогают расщеплять продукты, которые не могут расщепить пищеварительные ферменты человека. Bacteroides thetaiotaomicron, например, помогает расщеплять сложные углеводы. Lactobacillus acidophilus расщепляет сахара в молоке и создает побочные продукты, такие как молочная кислота и перекись водорода. Эти побочные продукты защищают кишечник от вредных бактерий.
Бактерии на коже также могут производить побочные продукты, которые препятствуют проникновению вредных бактерий. Например, полезная бактерия Corynebacterium accolens подавляет развитие Streptococcus pneumoniae, вызывающей пневмонию.
Безусловно, есть немало вредных для человека бактерий. Staphylococcus epidermidis — это круглая бактерия, которая обычно живет на коже, но может вызвать инфекцию, если попадет внутрь человеческого организма. Однако S. epidermidis также производит белки, которые подавляют рост его более вирулентного (болезнетворного) родственника, золотистого стафилококка. Staphylococcus aureus также вызывает инфекции, когда проникает через кожный барьер, но они обычно намного серьезнее, чем инфекции, вызываемые S. epidermidis.
Некоторые бактерии, такие как S. aureus, большую часть времени живут в относительном мире с человеком. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), около 30% людей имеют S. aureus в носу. Но когда эти бактерии попадают в организм, особенно у людей с ослабленным иммунитетом, они могут вызвать смертельные инфекции. К ним относят сепсис (воспаление всего тела в ответ на инфекцию), пневмонию, эндокардит (воспаление сердца и сердечных клапанов) и остеомиелит (воспаление костей).
Другие бактерии почти всегда вредны для человека. Холера, от которой ежегодно умирают около 95000 человек во всем мире, вызывается Vibrio cholerae. Бактерия Yersinia pestis, распространяемая блохами, которые подхватывают ее у грызунов, была причиной пандемии Черной смерти (чумы). Bacillus anthracis может образовывать почти неразрушимые споры сибирской язвы, которые таятся в почве и вызывают смертельную болезнь при вдыхании или употреблении в пищу.
Некоторые из наиболее распространенных болезнетворных бактерий заражают людей через испорченные продукты питания. Бактерии сальмонеллы вызывают заболевание, называемое сальмонеллезом, симптомами которого являются диарея, спазмы в животе и лихорадка. Хотя большинство людей выздоравливают через четыре-семь дней, сальмонеллез является серьезным и иногда даже смертельным заболеванием как для маленьких детей, так и для пожилых людей.
Escherichia coli, другая бактерия, вызывающая пищевые отравления, часто распространяется через плохо очищенную пищу и воду. Хотя многие штаммы спокойно живут в кишечнике человека, не причиняя никакого вреда, другие вызывают диарейные заболевания. Как и при сальмонеллезе, диарея при кишечной палочке очень неприятна, но кратковременна, однако у 5-10% людей развивается почечное осложнение, называемое гемолитико-уремическим синдромом, которое может быть опасным для жизни.
Еще одна распространенная бактерия, которая может быть вредна для человека, — это Helicobacter pylori. Около половины людей носят эти бактерии в своем желудке. У большинства людей бактерия никак не проявляет себя, но в некоторых случаях она вызывает пептические язвы, или болезненные раны в слизистой оболочке желудка. Нам до конца не ясно, как распространяются бактерии, но точно известно, что в закрытом помещении они перемещаются между людьми более активно.
Устойчивость к антибиотикам
Для лечения бактериальных инфекций обычно используются антибиотики. Однако в последние годы неправильное и ненужное применение антибиотиков способствовало распространению нескольких штаммов бактерий, устойчивых к ним.
Некоторые инфекционные бактерии больше не восприимчивы к ранее эффективным антибиотикам. По данным Центра по контролю и профилактике заболеваний, ежегодно не менее 2 миллионов человек в США заражаются бактериями, устойчивыми к антибиотикам, что приводит к 23000 смертей в год.
«Практически любая инфекция, о которой вы можете сейчас подумать, характеризуется определенным уровнем устойчивости, — говорит доктор Кристофер Крнич, врач-инфекционист и эпидемиолог в госпиталях Университета Висконсина и Мемориальном госпитале ветеранов имени Уильяма С. Миддлтона. — Существует очень мало инфекций, которые мы сейчас лечим, а инфекции, вызванные устойчивыми бактериями, вылечить гораздо сложнее».
MRSA (стафилококк), например, является одним из наиболее известных штаммов устойчивых бактерий, устойчивых, он невосприимчив к метициллину и другим антибиотикам. Чаще всего распространяется в медицинских учреждениях и домах престарелых.
По материалам статьи «What are bacteria?» Live Science