Термин «бактерии» является множественной формой латинского bacterium, что означает «палка» или «стержень». Бактерии являются прокариотами и одними из самых распространенных организмов на земле. Подавляющее большинство играет положительную роль в природе. 

Бактерии перерабатывают сточные воды в простые химические вещества, извлекают азот из воздуха и делают его доступным для производства белка в растениях, расщепляют остатки всего, что умирает, перерабатывая углерод и другие элементы и производят продукты для потребления человеком и продукты для промышленной технологии. 

Многие биологи считают, что жизнь на земле, какой мы ее знаем, была бы невозможна без бактерий. 

Бактерии лучше приспособились к самым различным условиям жизни, чем любая другая группа организмов. Они обитают в воздухе, почве и воде и существуют в огромных количествах на поверхности практически всех растений и животных. Их можно обнаружить везде, вплоть до арктических льдов, термальных источников, окраин космоса и тканей животных. Некоторые из них выдерживают жгучую кислоту вулканического пепла, сокрушительное давление океанских впадин и мощную активность пищеварительных ферментов. 

Другие бактерии выживают в бескислородной среде, кипящей воде и очень сухих местах. Короче говоря, они вездесущи. Творец должен любить их, потому что они ближе всего приблизились к вездесущности на земле. Бактерии настолько полностью захватили землю, что масса всех их клеток, по оценкам, превышает массу всех растений и животных вместе взятых.

Фото бактерий под микроскопом. Источник: NASA

В этой статье объясняется важность бактерий для нашей повседневной жизни. Она также включает обсуждение их структуры, размера, классификации, экологических функций и их роли в развитии болезней. Хотя большинство бактерий полезны, некоторые из них вредны. Некоторые виды размножаются в человеческом организме, где они разрушают ткани или производят токсины, приводящие к болезням. Другие же заражают растительные культуры и стада животных. 

Болезнетворные бактерии (т. е. патогенные бактерии) представляют собой глобальную угрозу для всех форм жизни, и в XXI веке они уже использовались в качестве агентов биотерроризма. Бактерии угрожали существованию человека на протяжении тысячелетий через туберкулез, бубонную чуму, тиф, пневмонию, стрептококковые инфекции, дифтерию, кишечную палочку и сибирскую язву.

Прокариоты

Прокариотические клетки бактерий, как правило, гораздо меньше и проще по структуре, чем эукариотические (таблица 2.2). Их отличительной особенностью является отсутствие ядерной оболочки, отделяющей генетический материал от цитоплазмы. Сегодня бактерии все еще превосходят численностью другие организмы, процветая почти в каждой мыслимой среде обитания, но из-за их крошечного размера, они были последней основной группой обнаруженных организмов. 

Некоторые из более крупных бактерий были впервые обнаружены и описаны Антони ван Левенгуком в 1676 году. В 1860-х и 1870-х годах Луи Пастер, Джозеф Листер и Роберт Кох открыли роль бактерий в порче пищевых продуктов и многих болезней. 

Интересно также отметить, что Левенгук, Пастер и Листер были учеными-креационистами, которые искали Бога (Псалтирь 138:17) в биологии и медицине. Они стремились не только классифицировать вновь обнаруженные бактерии, но и найти полезные приложения на благо человечества. Бактерии, как и другие живые существа, классифицируются по их морфологии, молекулярному составу, характеристикам окрашивания, метаболическому образу жизни и характеристикам роста. 

В таблице ниже (таблица 2.2) приведены основные характеристики прокариотов.

Во втором издании «Руководства Бергея» прокариоты сгруппированы в две области: археи и бактерии. Каждый домен далее делится на «ветви», каждая ветвь — на типы, каждый тип — на классы и так далее. Бактерии делятся на пять ветвей. 

Ветви относятся к различным линиям филогении от кладограммы (одно из основных понятий в современной биологической систематике — древовидный граф, отражающий отношения сестринского родства между таксонами — прим. ред.). Эта концепция основана на предположениях об общем происхождении и неодарвинистской эволюции. Многие креационисты называют эти несвязанные, большие, инклюзивные категории полибараминами. 

Пожалуй, самыми крупными коллекциями типичных бактерий являются  Eubacteria/эубактерии и Cyanobacteria/цианобактерии. Оба обладают «настоящими» прокариотическими клетками. Цианобактерии имеют клетки, подобные бактериям, но образуют колонии и нити, подобные водорослям, причем все они способны к фотосинтезу. Поэтому их традиционно называли сине-зелеными водорослями. 

Очевидно, что они представляют собой особый вид, не поддающийся четкой классификации в соответствии с современными таксономическими методами. Хотя некоторые креационисты все еще относят их к категории водорослей, мы помещаем их в эту статью, потому что большинство биологов сегодня классифицируют как бактерии. 

Мы сосредоточим наше обсуждение цианобактерий на их роли в азотном цикле и их общей важности для экологии. Археи обладают уникальными свойствами, и их также трудно классифицировать. Клетки архей имеют много признаков, сходных с бактериями, но имеют некоторые характеристики, сходные с эукариями.

Доменные бактерии

Большинство из нас привыкли думать о бактериях как о невидимых, потенциально вредных маленьких существах. На самом деле, относительно немногие виды бактерий вызывают болезни у людей, животных, растений или любых других организмов. Действительно, как только вы окончите курс биологии, вы поймете, что без бактерий большая часть жизни была бы невозможна. 

Эволюционисты утверждают, что все эукариотические организмы, вероятно, произошли от бактерий или архей. Они считают, что археи были одними из самых ранних форм жизни на Земле.

Обмен веществ и образ жизни

Мы уже упоминали, что бактерии — самые многочисленные организмы на земле. Горстка почвы может содержать миллиарды из них. Они встречаются в таких удаленных местах обитания, как морское дно, айсберги и горячие источники, или так близко, как например ваш рот. Они перед нами, даже когда мы говорим. 

Такое широкое распространение возможно потому, что многие бактерии обладают метаболическими способностями, которых нет ни у одного эукариота. Одни занимаются ферментацией, другие — дыханием. Аэробам требуется кислород (О₂) для дыхания; облигатные анаэробы убиваются кислородом; факультативные анаэробы могут жить в присутствии или отсутствии О₂. 

Некоторые анаэробные бактерии используют нитраты (NO₃ -), сульфаты (SO₄ -) или железо (Fe³⁺) вместо O₂ в клеточном дыхании. Большинство бактерий, которые подвергаются аэробному дыханию, выделяют больше энергии, чем те, которые подвергаются анаэробному дыханию или ферментации.

Из-за их жестких клеточных стенок бактерии не могут принимать крупные частицы пищи. Скорее, они поглощают небольшие молекулы, которые просачиваются через их стенки. Многие бактерии могут создать любое органическое вещество, которое им нужно, начиная только с одного вида органической молекулы, такой как глюкоза или жирные кислоты. Другие требуют более сложной диеты. «Капризные едоки» называются fastidious/привередливыми. 

Когда условия неблагоприятны для роста, некоторые бактерии образуют толстостенные, покоящиеся споры, устойчивые к нагреванию и высыханию. Большинство бактериальных спор не являются средством размножения, поскольку не происходит увеличения числа клеток. Скорее, образование спор позволяет клеткам выживать в неблагоприятных условиях и рассеиваться в новых местах, где из спор может развиться новая клетка.

Бактерии, несомненно, обязаны своим биологическим успехом разнообразным метаболическим способностям в сочетании с небольшим размером, высокой скоростью размножения и способностью образовывать устойчивые споры. Эти особенности позволяют бактериям жить во многих средах обитания, которые сегодня здесь, а завтра исчезнут. Капля дождя на листе испаряется за несколько часов, но к тому времени бактерия уже несколько раз разделилась, и ее потомки образовали споры, которые могут улететь в новые места обитания.

Бактериальная анатомия

Отдельные бактериальные тела имеют одну из трех основных форм, но формы имеют много вариантов расположения. Клетки некоторых бактерий имеют сферическую форму, некоторые — цилиндрическую или палочковидную, а другие — несколько жесткую, изогнутую палочку или короткую спираль. Сферические формы называются кокками/cocci, цилиндрические формы — бациллы/bacilli, а и спиралеобразные — спириллы/spirilla (ед. ч. спирилла/spirillum). 

Каждый из многих видов настоящих бактерий помещен в одну из этих трех морфологических групп.

Фото: naurok.com.ua

Бациллы

На латыни «бацилла» означает «маленькая палочка или стержень», и он действительно имеют форму маленького стержня или цилиндра. Отдельные виды бацилл демонстрируют почти бесконечные вариации этой основной формы. Некоторые из них настолько короткие и толстые, что их почти невозможно отличить от кокков, другие - длинные и тонкие. Их концы могут быть квадратными, закругленными или заостренными до тупой или тонкой точки. 

Большинство бацилл — прямые, жесткие палочки, но некоторые слегка изогнуты и менее жесткие. Многие виды подвижны, перемещаясь через жидкости с помощью тонких, похожих на хлыст придатков, называемых жгутиками. Другие лишены жгутиков и не подвижны. Как и кокки, бациллы широко распространены, и известны их многочисленные виды. Одним из распространенных примеров бацилл является Escherichia coli, обычная кишечная бактерия.

Кокки

Слово coccus происходит от греческого слова, означающего «ягода», и все кокки имеют сферическую форму, похожую на крошечную ягоду. Многие из них не идеально круглые, но уплощены с одной стороны или более или менее вытянуты. Существует много видов кокков, и они широко распространены. Одним из распространенных примеров является Streptococcus pyogenes, причина стрептококковой инфекции горла.

Спириллы

К этой группе относятся бактерии, имеющие спиральную форму, похожую на штопор. Некоторые спириллы являются короткими, в форме запятой, организмами с менее чем одним полным витком спирали, они классифицируются в роде Vibrio (например, Vibrio cholera/холерный вибрион). Другие спириллы — более длинные, более тонко свернутые нити; они помещены в род Spirillum. 

Тело спириллы жесткое; его подвижность обусловлена жгутиками. Спириллу следует отличать от спирохет, которые представляют собой тонкие, гибкие, нитевидные формы, имеющие общую форму довольно длинной, более или менее плотно свернутой проволочной пружины. Они подвижны, но не имеют специальных приспособлений для движения (т. е. жгутиков). 

Одним из распространенных примеров спирохет является Treponema palladium /трепонема палладиевая - причина сифилиса.

Фото: ЗНО академія

Размер бактерий

Как мы уже выяснили, бактерии настолько малы, что их невозможно точно измерить по какой-либо знакомой шкале. Специальная единица измерения, микрон (μ), составляет 1/1 000 миллиметра. Большинство бактерий меньше, чем эукариотические клетки, но больше, чем ядро (таблица 2.3). 

Два заметных исключения — Epulopiscium sp. и Thiomargarita namibiensis. Они совершенно исключительны и нетипичны. Первая гигантская бактерия имеет длину более 0,6 мм-600 мкм по сравнению с 2 мкм для E. coli. Обнаруженная в кишечнике рыбы-хирурга у австралийских рифов, бактерия является второй по величине. 

После открытия Epulopiscium в 1991 году в 1999 году была обнаружена еще одна бактерия «Голиаф». Thiomargarita namibiensis, что означает «серная жемчужина Намибии», была найдена в отложениях у берегов Африки. Эта бактерия составляет 750 мкм, или немного больше, чем размер периода. Обычно тот факт, что питательные вещества должны проникать в цитоплазму путем простой диффузии, ограничивает размер прокариотических клеток. 

Кроме того, они не размножаются посредством бинарного деления. Такие наблюдения представляют проблемы для эволюционных биологов; они не могут объяснить, как прокариотические клетки могли эволюционировать, а гигантские прокариоты ставят под сомнение современные филогенетические деревья, иллюстрирующие расхождение прокариот с эукариотами. В таблице 2.3 приведены примеры фактических размеров некоторых наиболее известных прокариот.

О полезных бактериях

Теория старения йогурта: продлевает ли употребление йогурта жизнь?

Йогурт, который иногда называемый болгарским молоком, был популярен среди жителей восточноевропейских стран. Илья Мечников отметил, что многие болгары доживают до 100 лет. Он объяснял продолжительность их жизни йогуртом, который они ели. Он считал, что употребление йогурта нейтрализует естественный процесс, который он называл «автотоксикацией». 

В кишечном тракте обитало огромное количество бактерий, которые, по мнению Мечникова, вырабатывали токсины, медленно отравлявшие организм и вызывавшие преждевременную смерть. Мечников считал, что бактерии йогурта полезны для кишечника и заменят другие микроорганизмы, которые способствуют старению. Позже эксперименты других ученых показали, что теория старения Мечникова не была подтверждена фактами.

Теория старения Мечникова больше не принимается учеными. Однако его исследования микробов в кишечном тракте внесли свой вклад в наши знания о человеческом организме. Внутренние и внешние поверхности тела поддерживают сообщества микроскопических союзников. Популяции «нормальной флоры», или дружественных бактерий, живут в толстой кишке. 

Нормальная флора относится к бактериям, дрожжам и плесневым грибкам, которые живут в организме как дружественные жители. Их присутствие препятствует прикреплению и размножению вредных организмов. Любой патоген или вредный микроб, пытающийся поселиться в кишечнике, должен бороться с хорошо укоренившейся колонией нормальной флоры. Местами на квадратный сантиметр приходится около 20 миллионов микроорганизмов, некоторые из которых делают жизнь пришельцев неприятной. Определенные дружественные бактерии производят химические вещества, которые препятствуют росту других штаммов бактерий и грибов. 

Бактерия Escherichia coli, которая живет в кишечном тракте, просто использует питательные вещества, которые требуются другим, менее благоприятным типам бактерий, чтобы жить — в действительности, истощая конкурентов.

Опыт применения антибиотиков показывает опасность нарушения микробной жизни, которая обычно обитает в организме. Длительное употребление этих веществ может уничтожить как дружественную, нормальную флору микроорганизмов, так и враждебную. Если нормальная флора устранена, патогенные микроорганизмы могут установиться, иногда вызывая проблемы с кишечником. 

Учитывая возможность колонизации кишечника некоторыми патогенными микроорганизмами, врачи часто рекомендуют пациентам пить ацидофильное молоко или есть йогурт. Лактобацилла ацидофильная (Lactobacillus acidophilus) занимает пустые ниши в толстой кишке до тех пор, пока не вернется нормальная флора, тем самым предотвращая прикрепление патогенов.

После Второй мировой войны многие люди стали заботиться о своем здоровье, и в результате йогурт стал популярной едой среди среднего класса американцев. Растущая привлекательность йогурта стимулировала дальнейшие научные исследования его ценности для здоровья человека. Пищевые и терапевтические аспекты йогурта уже давно обсуждаются в научном сообществе. 

Некоторые ученые утверждают, что употребление этого продукта имеет не больше положительных эффектов, чем употребление молока. 

На самом деле, один исследователь сообщает, что употребление йогурта для пользы здоровья переоценено, потому что Lactobacillus bulgaricus не колонизирует кишечник в нормальных условиях и не может конкурировать с нормальной флорой. Некоторые ученые утверждают, что йогурт может быть вкусным и обеспечивать те же питательные преимущества, что и молоко, но он на самом деле не помогает кишечному расстройству и не продлевает вашу жизнь.

Последние научные данные свидетельствуют о том, что йогурт действительно снимает расстройство кишечника во время антибактериальной терапии. В контролируемом исследовании врачи сообщили, что L. bulgaricus не может конкурировать с нормальной флорой в обычных условиях, но, похоже, что L. bulgaricus будет колонизировать толстую кишку во время и после использования антибиотиков. Бактерии в йогурте также могут служить в качестве природного антибиотика. 

Данные этого исследования показывают, что лактобациллы не только временно растут в кишечнике до возвращения естественной флоры, но и предотвращают диарею, связанную с антибиотиком под названием эритромицин. Эти исследователи сообщают, что побочные эффекты эритромицина, такие как абдоминальный дистресс, боль в животе и газы, были менее распространены среди пациентов, принимающих ферментированный йогурт во время лечения антибиотиками, чем у пациентов, принимающих пастеризованный йогурт.

Другой врач в обзоре исследований на животных, включающих йогурт и антибиотики, сообщил о питательной и терапевтической ценности лактобацилл в рационе животных и человека. Диетологи уже давно знают, что йогурт питателен из-за высокого содержания белка, рибофлавина и кальция. Однако только недавно научные исследования показали, что лактобациллы увеличивают количество, доступность, усвояемость и поглощение питательных веществ.

Увеличение количества питательных веществ можно объяснить тем, что лактобациллы, присутствующие в йогурте, переваривают белки до более мелких, легко усваиваемых веществ. Бактерии йогурта также помогают организму более эффективно синтезировать витамины. Врачи сообщают о терапевтическом применении йогуртовых бактерий, например, для профилактики различных кишечных инфекций, вызванных вредными микробами, и диареи, вызванной антибиотиками.

В 1992 году исследования доктора Джорджа М. Халперна из Калифорнийского университета показали, что йогурт может стимулировать иммунную систему. Употребление йогурта может помочь вам противостоять инфекциям, таким как простуда и другие заболевания верхних дыхательных путей. Исследование показало, что йогурт усиливает выработку гамма-интерферона, вещества, которое помогает бороться с инфекционными заболеваниями. Контрольная группа не получала йогурт, а две группы людей получали йогурт для еды. 

Вторая группа ела йогурт с активными бактериальными культурами, а третья - получала йогурт, который подвергался тепловой обработке для уничтожения активных культур. 

Только группа, которая ела йогурт с живыми L. bulgaricus и S. thermopiles, имела улучшенную иммунную систему. В этой группе те, кто съедал две чашки йогурта в день в течение четырех месяцев, имели в пять раз больше гамма-интерферона, чем те, кто не употреблял йогурт. The Houston Post, сообщая об этом исследовании, заключила: 

«Чтобы повысить вашу иммунную систему, увеличьте воздействие йогурта».

Таким образом, употребление йогурта имеет несколько полезных и терапевтических преимуществ. Йогурт питателен, потому что в нем много белка, рибофлавина и кальция. Йогурт также помогает организму более эффективно синтезировать витамины. 

Употребление йогурта рекомендуется во время использования антибиотиков, чтобы произвести тот же эффект, что и ацидофильное молоко. Некоторые антибиотики, во время их введения, уничтожают дружественные бактерии, а также целевые патогены. Бактерии в йогурте помогают организму человека, временно занимая пустую нишу во время лечения антибиотиками. Эти бактерии предотвращают колонизации кишечника недружественными плесенями, дрожжами и бактериями. 

Ценность йогурта для людей, пытающихся похудеть, зависит от того, какой тип йогурта едят. В йогурте из обезжиренного молока и искусственных подсластителей мало калорий, но йогурт, сделанный из цельного молока с сахаром и сиропообразными фруктами, высококалориен. 

Теория старения в настоящее время в значительной степени игнорируется, но многие микробиологи считают, что употребление йогурта способствует хорошему здоровью, повышая иммунитет, обеспечивая организм необходимыми питательными веществами и дополнительной терапией во время лечения. Хотя употребление йогурта не может продлить вашу жизнь, оно может улучшить ее качество. 

Шансы испытать диарею, газы и боли в животе при приеме антибиотиков уменьшаются, не говоря уже о положительной питательной ценности и удовольствии от употребления хорошего йогурта!