Термін «бактерії» є множинною формою латинської назви bacterium, що означає «палиця» або «стрижень». Бактерії є прокаріотами й одними з найпоширеніших організмів на землі. Переважна більшість грає позитивну роль в природі. 

Бактерії перетворюють стічні води на прості хімічні речовини, поглинають азот з повітря та роблять його доступним для виробництва білка в рослинах, розщеплюють залишки всього, що вмирає, переробляючи вуглець та інші елементи і виробляють продукти для споживання людиною чи промислового виробництва. 

Багато біологів вважають, що життя на землі, якою ми його знаємо, було б неможливе без бактерій. 

Бактерії краще пристосувалися до всіляких умов життя, ніж будь-яка інша група організмів. Вони мешкають в повітрі, ґрунті та воді й існують у величезних кількостях на поверхні практично всіх рослин і тварин. Їх можна виявити всюди, аж до арктичних льодів, термальних джерел, околиць космосу та тканин тварин. Деякі з них витримують пекучу кислоту вулканічного попелу, нищівний тиск океанських западин і потужну активність травних ферментів. 

Інші бактерії виживають у безкисневому середовищі, киплячій воді й дуже сухих місцях. Коротко кажучи, вони всюдисущі. Творець повинен любити їх, тому що вони наблизились найближче до всюдисущості на землі. Бактерії настільки захопили землю, що маса бактеріальних клітин, за оцінками, перевищує масу всіх рослин і тварин разом взятих.

Фото бактерії під мікроскопом. Джерело: NASA

У цій статті пояснюється важливість бактерій для нашого повсякденного життя. Вона також включає обговорення їхньої структури, розміру, класифікації, екологічних функцій і їхньої ролі в розвитку хвороб. Хоча більшість бактерій корисні, деякі з них шкідливі. Деякі види розмножуються в людському організмі, де вони руйнують тканини або виробляють токсини, що призводять до хвороб. Інші заражають рослинні культури та стада тварин. 

Хвороботворні бактерії (патогенні) є глобальною загрозою для всіх форм життя, і в XXI столітті вони вже використовувалися в якості агентів біотероризму. Бактерії загрожували існуванню людини протягом тисячоліть через туберкульоз, бубонну чуму, тиф, пневмонію, стрептококові інфекції, дифтерію, кишкову паличку та сибірську виразку.

Прокаріоти

Прокаріотичні клітини бактерій, як правило, набагато менші й простіші за структурою, ніж еукаріотичні клітини (таблиця 2.2).Їхньою відмінною особливістю є відсутність ядерної оболонки, яка відділяє генетичний матеріал від цитоплазми. Сьогодні бактерії все ще перевершують чисельністю інші організми, процвітаючи майже в кожному можливому середовищі існування, але через їхній крихітний розмір, вони були останньою основною групою виявлених організмів. 

Деякі більші за розміров бактерії були вперше виявлені й описані Антоні ван Левенгуком в 1676 році. У 1860-х і 1870-х роках Луї Пастер, Джозеф Лістер і Роберт Кох відкрили роль бактерій у псуванні харчових продуктів і багатьох хвороб. Цікаво також відзначити, що Левенгук, Пастер і Лістер були вченими-креаціоністами, які шукали Бога (Псалтир 138:17) в біології та медицині. 

Вони прагнули не тільки класифікувати знову виявлені бактерії, але й знайти корисні додатки на благо людства. Бактерії, як і інші живі істоти, класифікуються за їхньою морфологією, молекулярним складом, характеристиками забарвлення, метаболічним способом життя та характеристиками зростання. У таблиці нижче (таблиця 2.2) наведені основні характеристики прокаріотів.

У другому виданні «Посібника Бергея» (Bergey’s Manual) прокаріоти згруповані в дві області: археї і бактерії. Кожен домен далі ділиться на «гілки», кожна гілка ― на типи, кожен тип ― на класи й так далі. Бактерії діляться на п'ять гілок. 

Гілки відносяться до різних ліній філогенії від кладограми (одне з основних понять в сучасній біологічній систематиці ― деревоподібний граф, що відображає відносини сестринського споріднення між таксонами ― прим. ред.). Ця концепція заснована на припущеннях про спільне походження та неодарвінівську еволюцію. Багато креаціоністів назвали б ці незв'язані, великі, інклюзивні категорії полібарамінами. 

Мабуть, найбільшими колекціями типових бактерій є еубактерії (Eubacteria) й ціанобактерії (Cyanobacteria). Обидва мають «справжні» прокаріотичні клітини. Ціанобактерії мають клітини як у бактерій, але утворюють колонії та нитки, подібні водоростям, причому всі вони здатні до фотосинтезу. Тому їх традиційно називають синьо-зеленими водоростями. 

Ймовірно, вони представляють собою особливий вид, що не піддається чіткій класифікації згідно з сучасними таксономічними методами. Хоча деякі креаціоністи все ще відносять їх до категорії водоростей, ми поміщаємо їх в цю статтю, тому що більшість біологів сьогодні класифікують їх як бактерії. 

Ми зосередимо наше обговорення ціанобактерій на їхній ролі в азотному циклі і на загальній важливості для екології. Археї мають унікальні властивості, і їх також важко класифікувати. Клітини архей мають багато ознак, схожих з бактеріями, але мають деякі характеристики, подібні до еукаріотів.

Доменні бактерії

Більшість з нас звикли думати про бактерій як про невидимі, потенційно шкідливі маленькі істоти. Насправді, відносно небагато видів бактерій викликають хвороби в людей, тварин, рослин або будь-яких інших організмів. Дійсно, як тільки ви закінчите курс біології, ви зрозумієте, що без бактерій більша частина життя була б неможлива. 

Еволюціоністи стверджують, що всі еукаріотичні організми, ймовірно, походять від бактерій або архей. Вони вважають, що археї були одними з найбільш ранніх форм життя на Землі.

Обмін речовин і спосіб життя

Ми вже згадували, що бактерії ― найчисленніші організми на землі. Жменька грунту може містити мільярди з них. Вони зустрічаються в таких віддалених місцях, як морське дно, айсберги та гарячі джерела, або так близько, як, наприклад, ваш рот. Вони перед нами, навіть коли ми говоримо. 

Таке широке поширення можливе тому, що багато бактерій мають метаболічні здібності, яких немає ні в одного еукаріота. Одні займаються ферментацією, інші ― диханням. Аеробам потрібен О₂ для дихання; облігатні анаероби вбиваються О₂; факультативні анаероби можуть жити в присутності або відсутності О₂. Деякі анаеробні бактерії використовують нітрати (NO₃ -), сульфати (SO₄ -) або залізо (Fe₃ +) замість O₂ в клітинному диханні. 

Більшість бактерій, які піддаються аеробному диханню, виділяють більше енергії, ніж ті, які піддаються анаеробному диханню або ферментації.

Через їхні жорсткі клітинні стінки бактерії не можуть приймати великі частки їжі. Швидше, вони поглинають невеликі молекули, які просочуються через них. Багато бактерій можуть створити будь-яку органічну молекулу, яка їм потрібна, починаючи тільки з одного виду органічної молекули, такої як глюкоза або жирні кислоти. Інші вимагають більш складні дієти. «

Примхливі їдці» називаються вибагливими (fastidious). Коли умови несприятливі для зростання, деякі бактерії утворюють товстостінні спори, що знаходяться в спокої і є стійкими до нагрівання та висихання. Більшість бактеріальних спор не є засобом розмноження, оскільки не відбувається збільшення числа клітин. Швидше, утворення спор дозволяє клітинам виживати в несприятливих умовах і розсіюватися в нових місцях, де зі спори може розвинутися нова клітина.

Бактерії, безсумнівно, зобов'язані своїм біологічним успіхом різноманітним метаболічним здібностям у поєднанні з невеликим розміром, високою швидкістю розмноження й здатністю утворювати стійкі спори. Ці особливості дозволяють бактеріям жити в багатьох середовищах, які сьогодні існують, а завтра можуть вже зникнути. Крапля дощу на листку випаровується за кілька годин, але на той час бактерія вже кілька разів розділилася, і її нащадки утворили спори, які можуть полетіти в нові місця проживання.

Будова бактерій

Окремі бактеріальні тіла мають одну з трьох основних форм, але форми мають багато варіантів і розташувань (зліва). Клітини деяких бактерій мають сферичну форму, деякі ― циліндричну або паличкоподібну, а інші ― дещо жорстку, вигнуту паличку або коротку спіраль. 

Сферичні форми називаються коками/cocci, циліндричні ― бацили/bacilli (одн. бацила/bacillus), і спиралеподібні ― спірили/spirilla (одн. спірила/spirillum). Кожен з багатьох видів справжніх бактерій поміщений в одну з цих трьох морфологічних груп.

Фото: naurok.com.ua 

Бацили

Латинською «бацила» означає «маленька паличка або стрижень», і вони дійсно мають форму маленького стрижня або циліндра. Окремі види бацил демонструють майже нескінченні варіації цієї основної форми. Деякі з них настільки короткі й товсті, що їх майже неможливо відрізнити від коків; інші довгі й тонкі. Їхні кінці можуть бути квадратними, закругленими або загостреними до тупої або тонкої точки. 

Більшість бацил ― прямі, жорсткі палички, але деякі злегка зігнуті й менш жорсткі. Багато видів рухливі і переміщаються через рідини за допомогою тонких, схожих на хлист придатків, які називаються джгутиками. Інші позбавлені джгутиків і не можуть рухатись. Як і коки, бацили широко поширені, і відомі їх численні види. Одним з поширених прикладів бацил є Escherichia coli, звичайна кишкова бактерія.

Коки

Слово coccus походить від грецького слова, що означає «ягода», і всі коки мають сферичну форму, схожу на крихітну ягоду. Багато з них не ідеально круглі, але сплощені з одного боку чи більш-менш витягнуті. Існує багато видів коків, і вони широко поширені. Одним з найпоширеніших прикладів є Streptococcus pyogenes -причина стрептококової інфекції горла.

Спірили

До цієї групи належать бактерії, що мають спіральну форму, схожу на штопор. Деякі спірили є короткими, в формі коми, організмами з менш ніж одним повним витком спіралі; вони класифікуються в роді Vibrio (наприклад холерний вібріон Vibrio cholera). 

Інші спірили ― довші, більш тонко згорнуті нитки; вони поміщені в рід Spirillum. Тіло спірили жорстке; його рухливість обумовлена джгутиками. Спірили слід відрізняти від спірохет, які представляють собою тонкі, гнучкі, ниткоподібні угрупування, що мають загальну форму досить довгої, більш-менш щільно згорнутої дротяної пружини. 

Вони рухливі, але не мають спеціальних придатків (тобто джгутиків). Одним з поширених прикладів спирохет є трепонема паладієва (Treponema palladium) - причина сифілісу.

Фото: ЗНО академія

Розмір бактерій

Як ми вже з'ясували, бактерії настільки малі, що їх неможливо точно виміряти будь-якою знайомою шкалою. Спеціальна одиниця виміру, мікрон (μ), становить 1/1000 міліметра. Більшість бактерій менші, ніж еукаріоти, але більші, ніж ядро (таблиця 2.3). Два помітних виключення ― Epulopiscium sp. і Thiomargarita namibiensis. Вони абсолютно виняткові й нетипові. 

Перша гігантська бактерія має довжину більше 0,6 мм-600 мкм в порівнянні з 2 мкм для E. coli. Виявлена в кишечнику риби-хірурга що мешкає біля австралійських рифів, бактерія є другою за величиною.

Після відкриття Epulopiscium в 1991 році, в 1999 році була виявлена ще одна бактерія «Голіаф». Thiomargarita namibiensis, що означає «сірчана перлина Намібії», була знайдена у відкладеннях біля берегів Африки. Ця бактерія становить 750 мкм або трохи більше, ніж розмір періоду. Зазвичай той факт, що поживні речовини повинні проникати в цитоплазму шляхом простої дифузії, обмежує розмір клітин прокаріотів. 

Крім того, вони не розмножуються за допомогою бінарного розподілу. Ці спостереження представляють проблеми для еволюційних біологів; вони не можуть пояснити, як такі прокаріотичні клітини могли еволюціонувати, і гігантські прокаріоти ставлять під сумнів сучасні філогенетичні дерева, які ілюструють розбіжність прокаріотів з еукаріотами. У таблиці 2.3 наведені приклади фактичних розмірів деяких найбільш відомих прокаріотів.

Про корисні бактерії

Теорія старіння йогурту: чи продовжує вживання йогурту тривалість життя?

Йогурт, який іноді називають болгарським молоком, був популярний серед жителів східноєвропейських країн. Ілля Мечников зазначив, що багато болгарів доживають до 100 років. Він пояснював тривалість їхнього життя йогуртом, який вони споживали. Він вважав, що вживання йогурту нейтралізує природний процес, який він називав «автотоксікацією». 

В кишковому тракті мешкала величезна кількість бактерій, які, на думку Мечникова, виробляли токсини, повільно отруювали організм і викликали передчасну смерть. Мечников вважав, що бактерії йогурту корисні для кишечника й заміняють інші мікроорганізми, які сприяють його старінню. Пізніше експерименти інших вчених показали, що теорія старіння Мечникова не була підтверджена фактами.

Теорія старіння Мечникова більше не приймається вченими. Проте його дослідження мікробів у кишковому тракті внесли свій вклад у наші знання про людський організм. Внутрішні й зовнішні поверхні тіла підтримують співтовариства мікроскопічних союзників. Популяції «нормальної флори», або дружніх бактерій, живуть у товстій кишці. Під нормальна флорою маються на увазі бактерії, дріжджі і цвілеві грибки, які живуть в організмі як дружні жителі. Їхня присутність перешкоджає прикріпленню та розмноженню шкідливих організмів. 

Чи то патоген, чи шкідливий мікроб, який намагається поселитися в кишечнику, будь-який ворог повинен боротися з добре укоріненою колонією нормальної флори. Місцями на квадратний сантиметр припадає близько 20 мільйонів мікроорганізмів, деякі з яких роблять життя прибульців неприємним. Деякі дружні бактерії виробляють хімічні речовини, які перешкоджають росту інших штамів бактерій і грибів. 

Бактерія Escherichia coli, яка живе в кишковому тракті, просто використовує поживні речовини, які потрібні іншим, менш сприятливим типам бактерій, щоб жити ― в дійсності, виснажуючи своїх конкурентів.

Досвід застосування антибіотиків показує небезпеку порушення життя мікробів, які зазвичай живуть в організмі. Тривале вживання цих речовин може знищити як дружню, нормальну флору мікроорганізмів, так і ворожу. Якщо нормальна флора усунена, патогенні мікроорганізми можуть встановитися, іноді викликаючи проблеми з кишечником. 

З огляду на можливість колонізації кишечника деякими патогенними мікроорганізмами, лікарі часто рекомендують пацієнтам пити ацідофільне молоко або їсти йогурт. Лактобацила ацідофільна (Lactobacillus acidophilus) займає порожні ніші в товстій кишці доти, поки не повернеться нормальна флора, тим самим запобігаючи прикріпленню патогенів.

Після Другої світової війни багато людей стали піклуватися про своє здоров'я, і в результаті йогурт став популярною їжею серед середнього класу американців. Привабливість йогурту, що зростала, стимулювала подальші наукові дослідження його цінності для здоров'я людини. Харчові й терапевтичні аспекти йогурту вже давно обговорюються в науковому співтоваристві. 

Деякі вчені стверджують, що вживання йогурту має не більше позитивних ефектів, ніж вживання молока. Насправді, один дослідник повідомляє, що вживання йогурту для користі здоров'я переоцінене, тому що Lactobacillus bulgaricus не колонізує кишечник в нормальних умовах і не може конкурувати з нормальною флорою. Деякі вчені стверджують, що йогурт може бути смачним і забезпечувати ті ж поживні переваги, що й молоко, але насправді він не допомагає кишковому розладу та не збільшує тривалість життя.

Останні наукові дані свідчать про те, що йогурт дійсно знімає розлад кишечника під час антибактеріальної терапії. У контрольованому дослідженні лікарі повідомили, що L. bulgaricus не може конкурувати з нормальною флорою в звичайних умовах, але, схоже, що L. bulgaricus буде колонізувати товсту кишку під час і після використання антибіотиків. Бактерії в йогурті також можуть служити в якості природного антибіотика. 

Дані цього дослідження показують, що лактобаціли не тільки тимчасово розмножуються в кишечнику до повернення природної флори, а й запобігають діареї, яка пов'язана з антибіотиком під назвою еритроміцин. Вчені повідомляють, що побічні ефекти еритроміцину, такі як абдомінальний дистрес, біль в животі й гази, були менш поширені серед пацієнтів, що приймають ферментований йогурт під час лікування антибіотиками, ніж у тих осіб, які приймають пастеризований йогурт.

Інший лікар в огляді досліджень йогурту і антибіотиків, що проводились на тваринах, повідомив про поживну й терапевтичну цінність лактобацил у раціоні тварин і людини. Дієтологи вже давно знають, що йогурт поживний через високий вміст білка, рибофлавіну та кальцію. Проте тільки недавно наукові дослідження показали, що лактобаціли збільшують кількість, доступність, засвоюваність і поглинання поживних речовин.

Збільшення кількості поживних речовин можна пояснити тим, що лактобацили, присутні в йогурті, перетравлюють білки до дрібніших речовин, які легко засвоюються. Бактерії йогурту також допомагають організму ефективніше синтезувати вітаміни. Лікарі повідомляють про терапевтичне застосування йогуртових бактерій для профілактики різних кишкових інфекцій, викликаних шкідливими мікробами, і діареї, викликаної антибіотиками.

У 1992 році дослідження доктора Джорджа М. Халперна з Каліфорнійського університету показали, що йогурт може стимулювати імунну систему. Вживання йогурту може допомогти вам протистояти інфекціям, як-от простуда, та іншим захворюванням верхніх дихальних шляхів. Дослідження показало, що йогурт підсилює вироблення гамма-інтерферону, речовини, яка допомагає боротися з інфекційними захворюваннями. Контрольна група не отримувала йогурт, а дві групи людей отримували йогурт для їжі. 

Друга група їла йогурт з активними бактеріальними культурами, а третя отримувала йогурт, який піддавався тепловій обробці для знищення активних культур. Тільки група, яка їла йогурт з живими L. bulgaricus і S. thermopiles, має покращену імунну систему. У цій групі ті, хто з'їдав дві чашки йогурту в день протягом чотирьох місяців, мали в п'ять разів більше гамма-інтерферону, ніж ті, хто не вживав йогурт. Houston Post, повідомляючи про це дослідження, зробили висновок: 

«Щоб покращити вашу імунну систему, збільшіть вплив йогурту».

Таким чином, вживання йогурту має кілька поживних і терапевтичних переваг. Йогурт поживний, тому що в ньому багато білка, рибофлавіну та кальцію. Йогурт також допомагає організму ефективніше синтезувати вітаміни. Вживання йогурту рекомендується під час використання антибіотиків для отримання такого ж ефекту, що й при вживанні ацідофільного молока. 

Деякі антибіотики, під час їхнього введення, знищують дружні бактерії, а також цільові патогени. Бактерії в йогурті допомагають організму людини, тимчасово займаючи порожню нішу під час лікування антибіотиками. Бактерії запобігають колонізації кишечника недружніми пліснявами, дріжджами та бактеріями. Цінність йогурту для людей, які намагаються схуднути, залежить від того, який тип вони споживають. 

У йогурті зі знежиреного молока та штучних підсолоджувачів мало калорій, але йогурт, зроблений з цільного молока з цукром і сиропами фруктів - висококалорійний. 

Теорія старіння в даний час в значній мірі ігнорується, але багато мікробіологів вважають, що вживання йогурту сприяє гарному здоров'ю, підвищуючи імунітет, забезпечуючи організм необхідними поживними речовинами й додатковою терапією під час лікування. Хоча вживання йогурту не може продовжити ваше життя, воно може поліпшити його якість. Шанси отримати діарею, гази й болі в животі при прийомі антибіотиків зменшуються, не кажучи вже про позитивну поживну цінність і задоволення від споживання хорошого йогурту!