Бактерии не имеют

Кто такие бактерии в биологии: определение

Главная › 10-11 класс › Биология › Рабочая тетрадь по биологии 1 часть Агафонова Сивоглазов Котелевская 10-11 класс

1. Дайте определения понятий.

  • Нуклеоид – это компартмент неправильной формы внутри клетки прокариот, в котором находится генетический материал.
  • Плазмида – небольшая молекула ДНК, физически отдельная от геномных хромосом и способная реплицироваться автономно.
  • Бацилла – бактерия палочковидной формы.
  • Вибрион – бактерия, имеющая форму запятой.

2. Нарисуйте схематично прокариотическую клетку и подпишите ее основные части.

3. Заполните таблицу “КЛАССИФИКАЦИИ ПРОКАРИОТ”.

4. Опишите процесс размножения прокариотической клетки на примере бактерий.

ОТВЕТ: Бактерии размножаются простым делением надвое. После репликации кольцевой ДНК клетка удлиняется, в ней образуется поперечная перегородка. В дальнейшем дочерние клетки расходятся или остаются связанными в группы.

5. Обоснуйте утверждение Л. Пастера: «Бактерии – великие могильщики природы».

ОТВЕТ: Бактерии превращают органические вещества отмерших организмов в неорганические, обеспечивая круговорот веществ в природе.

Бактерии не имеют

6. Какие особенности строения и жизнедеятельности бактерий позволяют им переживать неблагоприятные условия?

ОТВЕТ: неблагоприятных условиях бактерии образуют споры – клетки со сниженным уровнем метаболизма, покрытые защитной оболочкой.

7. Заполните таблицу “СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КЛЕТОК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ”.

8. Выберите правильный ответ.Тест 1. К эукариотам не относится:3) Bacillus anthracis;

Тест 2. Споры растений отличаются от спор бактерий тем, что:3) образуются в результате мейоза;

Тест 3. В клетках бактерий ДНК:2) кольцевая;

Тест 4. Органоиды клетки, которые являются общими для всех живых организмов, независимо от их уровня организации:3) рибосомы;

9. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.

10. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.

Выбранный термин – прокариоты.Соответствие – термин «прокариоты» буквально означает «доядерные». Их клетки не имеют ядра. Термин соответствует значению.11. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.9.Клетки бактерий – прокариотические. Они не имеют четко оформленного ядра.

Важно

ДНК у бактерий находится в виде кольцевой молекулы и плазмид. У бактерий отсутствует большинство органелл. Есть рибосомы, включения, клеточная стенка и ДНК. При неблагоприятных условиях бактерии образуют споры. По форме выделяют бациллы, спириллы, кокки и вибрионы.

По типу питания – сапротрофы, паразиты и симбионты.

Прокариотические клетки были первыми живыми организмами, появившимися на Земле, они имеют наиболее простое строение. На сегодняшний день к прокариотам (доядерным) относят бактерий и архей, все они одноклеточные организмы (редко образуют колонии). Цианобактерий (они же синезеленые водоросли) относят к бактериям в ранге типа.

Прокариоты — это нетаксономическая группа организмов, объединяющая бактерий и архей по признаку отсутствия у них ядра. Бактерии и археи выделяются в рангах разных надцарств (доменов), они отличаются между собой многими биохимическими процессами и, как считается, имеют разные эволюционные пути. Кроме них, третьим надцарством являются эукариоты.

Клетки прокариотического типа мельче клеток эукариот.

У них нет ядра, настоящих мембранных органелл, клеточного центра.

У ряда групп бактерий есть впячивания цитоплазматической мембраны, которые выполняют различные функции за счет локализации на них тех или иных ферментов.

У цианобактерий есть фотосинтетические мембраны (везикулы, тилакоиды, хроматофоры), образованные из клеточной мембраны. Они могут сохранять с ней связь, а могут быть и обособленными.

Генетический материал прокариот находится в цитоплазме. Основной его объем сосредоточен в нуклеоиде — кольцевой молекуле ДНК, в одном месте прикрепленной к цитоплазматической мембране. Она не связана с белками гистонами как у эукариот.

В прокариотических клетках по-другому регулируется реализация генетической информации. Кроме нуклеоида есть еще плазмиды (мелкие кольцевые молекулы ДНК). Почти вся ДНК транскрибируется (в то время как у эукариот обычно менее половины).

Прокариоты почти всегда гаплоидны. Новые клетки образуются путем бинарного деления, перед этим нуклеоид удваивается. У прокариот нет процессов митоза и мейоза.

Их рибосомы мельче, чем эукариот.

Цитоплазма прокариот почти неподвижна. Не характерно амебоидное движение.

Поступление в прокариотическую клетку веществ осуществляется за счет осмоса.

Совет

Есть автотрофы и гетеротрофы. Автотрофный способ питания осуществляется не только путем фотосинтеза, но и за счет хемосинтеза (энергия поступает не от солнечного света, а от химических реакций окисления различных веществ).

Согласно симбиотической гипотезе, в процессе эволюции от внедрившихся в другую клетку определенных групп прокариотических клеток произошли митохондрии и пластиды.

Клетки бактерий отличаются разнообразной формой (палочковидные, округлые, извитые и др.). У них есть сложная клеточная оболочка (состоящая из клеточной стенки, капсулы, слизистого чехла), жгутики и ворсинки.

Большинство архей хемоавтотрофы. Археи не образуют спор и среди них нет паразитов.

  • Бактериями называются живые микроорганизмы, которые не имеют ядра. Они относятся к домену прокариотов, являясь одной из древнейших жизненных форм на планете. Это также одни из наиболее универсальных «жителей» Земли, способные жить в глубинах почвы и водоемах, в кислой и радиоактивной среде. Несмотря на все старания ученых, человечество до сих пор не может выращивать их все лабораторно (это удается только относительно некоторых видов).
  • Длина бактерий составляет считанные микрометры, а форма их может быть самой разнообразной.  Наука, которая занимается изучением бактерий, называется бактериологией. Они являются составляющей микрофлоры человека, принося как пользу, так и вызывая различные заболевания. Используются в различных сферах человеческой деятельности: промышленность, животноводство, биотехнологические процессы и т.д.
  • Слово происходит из латинского языка, в котором в свою очередь было образовано производное название из греческого, и обозначает понятие «палочка» — именно такими были бактерии, впервые обозначенные учеными.
В биологии
В биологии

Группы доядерных одноклеточных микроорганизмов

  • Действительно, бактерии являются организмами, причем, относятся они к наиболее древней группе из всех, которые существуют на сегодняшний день. Их строение достаточно примитивно, многие из бактерий и поныне сохраняют признаки, присущие их предкам, в частности, те виды, которые находятся в особых условиях. Это горячая серная или бескислородная среда.

Различают бактерии по разным критериям – по толщине стенки и способности окрашиваться, по образованию спор, по наличию или отсутствию жгутиков. Относиться к разным группам эти организмы могут и по способу питания, что в биологии считается важным фактором.

Бактерии-фототрофы

К фототрофным микроорганизмам относятся те, для которых источником питания является свет. Все они имеют пигмент, с помощью которого поглощается солнечная энергия. Бактерии, окрашенные в сине-зеленые цвета, содержат хлорофиллы, а имеющие оранжево-красные цвета содержат каротиноиды.

Их рост и развитие зависят от наличия солнечного света. Большинство фототрофных бактерий являются жителями соленых и пресных водоемов, чаще всего они находятся там, где есть сероводород. В почве их количество незначительно, но в затопленных местах они начинают интенсивно развиваться.

бактерии пурпурные

Серные бактерии пурпурного цвета получают энергию из сероводорода

Бактерии-фототрофы, живущие в почве, способны связывать молекулярный азот, водород и органические вещества, являющиеся для них источником энергии.

К хемоавтотрофам относятся те микроорганизмы, которые в качестве источника энергии применяют такие неорганические вещества, как соединения серы, аммиак, железо, нитриты и другие элементы. В таких соединениях источником углерода для них есть углекислый газ, который они получают в результате окислительных процессов.

Хемоавтотрофы есть только среди бактерий, их количество в сравнении с остальными группами невелико, несмотря на это, они имеют большое значение в деятельности человека. Так, способность железобактерий в результате окислительных процессов создавать железную руду дала возможность человеку получать железо и другие сплавы.

Бактерии, окисляющие железо

Железобактерии в реке

Многие из тех микроорганизмов, которые относятся к хемоавтотрофам, применяются при выщелачивании рудников. Через слой раздробленной породы пропускают воду вместе с бактериями и после отбирают полученные сульфаты металлов.

По источнику получения энергии различают гетеротрофы (которым по своей природе необходимы питательные вещества, вырабатываемые другими организмами) и автотрофы (самостоятельно перерабатывающие неорганические вещества в органические). К гетеротрофам относятся все животные, человек и некоторые растения.

К органотрофам относят микроорганизмы, источником энергии для которых являются органические вещества. Именно они являются источником таких процессов, как гниение и брожение. Они относятся к замыкающей составляющей жизни всех живых организмов на планете и имеют неоценимое значение в утилизации органики.

Группу микробов, которые относятся к органотрофам, человечество применяет в пищевой промышленности для сбраживания. Некоторые из этой группы относятся к облигатным, кислород для них губителен, некоторые к факультативным, легко переходят от дыхания без доступа кислорода к кислородному.

Так, молочнокислые микроорганизмы получают необходимую энергию, преобразуя углеводы в молочную кислоту. Такая реакция происходит и в организме человека при выполнении физических нагрузок, когда кровь не может в полном объеме поставлять в мышцы необходимый кислород.

В зависимости от того, к какой группе относятся бактерии, они способны в результате процессов брожения выделять другие кислоты, например, муравьиную, уксусную, пропионовую, янтарную.

Часть органотрофов живет в симбиозе с другими живыми организмами. Так, в желудках жвачных животных существует множество бактерий, помогающих им переваривать пищу. Не является исключением и человек. На нашей коже и в кишечнике живет множество бактерий, помогающих нам. Так, если убрать органотрофов, обитающих на нашей коже, для которых наш пот является пищей, то на их место придут различные грибки, которые вызывают различные кожные заболевания.

Бактерии-паразиты

Существует большая группа микробов, которые относятся к паразитам, то есть тем, которые живут за счет своего хозяина, причиняя ему при этом вред. Представителей этой группы относят к анаэробам, то есть они не дышать кислородом: факультативным (могут спокойно жить в кислородной среде) либо облигатным (в присутствии кислорода гибнут).

Многие из паразитов являются болезнетворными и становятся источниками инфекционных заболеваний, таких как холера, тиф, ангина, чума, дизентерия и многие другие.

Многие из них не могут попасть в организм хозяина через здоровую поверхность и поэтому ищут повреждения и ранки. Зачастую распространению паразитов способствуют различные переносчики, такие как блохи, крысы, клещи.

Сине-зеленые водоросли, или цианеи, относятся к отдельной группе. Почему их так называют? Все дело в том, что в их клетках есть особый пигмент синего цвета – фикоцианин, дающий водорослям специфическую сине-зеленую окраску.

Это древнейшие живые обитатели нашей планеты и основной источник кислорода. Долгое время они в микробиологии относились к водорослям, но структура клетки, сходная со структурой клеток прокариотов, дала основание считать бактериями. Основная масса этих водорослей заселяет пресные водоемы, но часть водорослей распространена в биосфере. Также часть водорослей является составляющей лишайников.

Основное предназначение сине-зеленых водорослей ─ это фиксация молекулярного азота. Сине-зеленые водоросли обладают способностью осуществлять два вида фотосинтеза.

  1. Первый тип ─ это оксигенный, подразумевающий фиксацию углекислого газа из воды, в результате чего выделяется кислород.
  2. Второй способ носит название аноксигенный. Это процесс фиксации углекислого газа из сероводорода, конечным продуктом которого является сера.

Несмотря на то что бактерии относятся к мельчайшим созданиям и не видны в природе, как другие живые организмы, они не только имеют огромное значение в природе, но и во многих отраслях жизни человека. Мало того, уже доказано, что без дробянок жизнь на Земле невозможна.

svetlanaguz

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

Основные бактериальные инфекции человека и их возбудители[153][154]

Основные бактериальные инфекции человека и их возбудители

[153][154]

Несмотря на видимую простоту, бактерии могут вступать в сложные взаимоотношения с другими организмами. Такие симбиотические отношения можно подразделить на паразитизм, мутуализм и комменсализм, а также хищничество. Из-за небольших размеров бактерии-комменсалы распространены повсеместно и обитают на всевозможных поверхностях, в том числе на растениях и животных. Рост бактерий на теле человека ускоряется от тепла и пота, и их большие популяции придают запах телу[en].

Хищники

Некоторые бактерии убивают и поглощают другие микроорганизмы. К числу таких хищных бактерий[155] относится Myxococcus xanthus, формирующая скопления, которые убивают и переваривают любую попавшую на них бактерию[156]. Хищная бактерия Vampirovibrio chlorellavorus[en] прикрепляется к своей добыче, после чего постепенно переваривает её и всасывает высвобождающиеся питательные вещества[157].

Мутуалисты

Некоторые виды бактерий образуют скопления, которые необходимы для их выживания. Одна из таких мутуалистических ассоциаций, известная как межвидовая передача водорода, формируется между кластерами анаэробных бактерий, которые поглощают органические кислоты, такие как масляная и пропионования кислоты, и выделяют водород, и метаногенными археями, которые используют водород.

Многие бактерии являются симбионтами людей и других организмов. У человека от бактерий полностью свободны только кровь и лимфа[161]. Например, более тысячи видов бактерий, входящих в состав нормальной кишечной микрофлоры человека, участвуют в работе иммунитета, синтезируют витамины (например, фолиевую кислоту, витамин K и биотин), превращают сахара в молочную кислоту, а также сбраживают сложные неперевариваемые углеводы[162][163][164].

Бактерии не имеют

Бактерии вступают в сложные мутуалистические отношения с самыми разными животными. Например, в мезохиле[en]губок обитает множество бактерий, причём все исследованные к настоящему времени виды губок имеют симбиотические ассоциации с одним или более видами бактериальных симбионтов[166][167][168][169].

Многие моллюски имеют особые светящиеся органы, которые светятся благодаря обитающим в них бактериям. Бактерии получают надёжную защиту и благоприятные условия для питания, а моллюскам свечение помогает в привлечении полового партнёра[170]. Асцидии вступают в симбиотические отношения с цианобактериями рода Prochloron[en], который фиксирует CO2, а животное обеспечивает ему защищённое местообитание[171].

Этимология

Слово «бактерия» происходит от лат. bacterium, производного от греч.βακτηρία, что означает «трость, палочка», так как первые описанные бактерии были палочковидными[16][17].

Кто обнаружил бактерии?

  • Первооткрывателем бактерий можно считать голландского ученого Антони ван Левенгука, который первым смог обнаружить их под микроскопом и описать. Это произошло во второй половине 17-го века.
  • Еще половину столетие спустя немецкий ученый Христиан Эренберг дал название этим существам, которое мы используем и поныне – бактерии. Оно заменило первое наименование, введенное Левенгуком – анималькули.
  • В середине 19-го века французский микробиолог Луи Пастер не просто обнаружил отдельные свойства, присущие бактериям, но и начал изучать их физиологию и метаболизм бактерий.
  • Его продолжателем в этом деле стал немецкий коллега Роберт Кох, чьи труды по исследованию возбудителей туберкулеза увенчались нобелевским лауреатством.
Обнаружил особые свойства
Обнаружил особые свойства

Происхождение и ранняя эволюция

Предки современных бактерий были одноклеточными микроорганизмами, которые стали одной из первых форм жизни на Земле, появившись около 4 миллиардов лет назад. Почти три миллиарда лет вся жизнь на Земле была микроскопической[18][19]. Хотя для бактерий известны ископаемые останки (например, строматолиты), их морфология очень однообразна, что не позволяет идентифицировать отдельные виды.

Бактерии сыграли важнейшую роль в появлении эукариот. Считается, что эукариотическая клетка возникла, когда бактерии стали эндосимбионтами одноклеточных организмов, вероятно, близких к современным археям[23][24]. Иными словами, прото-эукариотическая клетка проглотила клетку α-протеобактерии, которая дала начало митохондриям и гидрогеносомам.

В каких условиях могут существовать бактерии?

Бактерии принято классифицировать по форме. В зависимости от этого ученые разделили их на три группы:

  1. К шаровидным (коккам) относят похожий на виноградные гроздья стафилококк, действие которого провоцирует пищевые отравления, а также гнойные воспаления. А вот стрептококкам, образующим в результате деления цепочку клеток, свойственно провоцировать воспалительные заболевания.
  2. Похожие формой на обычную палочку бактерии называют палочковидными. Существуют бактерии, образующие своеобразные слои защиты, которые противодействуют влиянию извне – это бациллы.
  3. Бактерии, имеющие извитую форму, относятся к спиралям, и они преимущественно безвредны. К ним относятся спириллы, спирохеты.
  • Кроме того, существуют названия, связанные с той или иной особенностью. Всем известный вибрион отличается быстрыми колебаниями, а протеус, названный по имени греческого бога, способного приобретать тот или иной облик, характерен тем, что в различных организмах действует по-разному.
  • Кроме того, часто бактерии называют именами ученых, открывших их: риккетсии, шигеллы, бруцеллы или, скажем, лямблии с сальмонеллами.

Среди наиболее опасных для человека бактерий можно выделить:

  1.  Возбудитель ботулизма, парализующего нервную систему – клостридия ботулина.
  2. Сальмонелла брюшного тифа, который проявляется высокой температурой и сильными болями в животе. Бактерия может, кроме того, не проявляться в симптомах, но человек при этом остается носителем заболевания.
  3. Столбнячной палочке свойственно активное развитие в глубокой ране, способное вызвать столбняк. Эта болезнь, с сильными судорогами, имеет очень высокую смертность.
  4. Все слышали о палочке Коха, ведущей к туберкулезу, являющимся одной из наиболее частых причин смерти человека. Передается при помощи воздушно-капельных путей, обнаруживается при флюорографическом обследовании.
  5. Кишечная палочка бывает просто микрофлорой кишечника, однако несколько ее серотипов приводят к кишечным инфекциям.
  6. Холерный вибрион чаще всего встречается в грязной воде. Холера при отсутствии лечения вполне способна закончиться смертельным исходом.
  7. Стрептококки – очень опасны, поскольку провоцируют менингит, пневмонию и т.п. Стрептококковый токсический шок сопровождается жаром, отеками конечностей и некрозом.
  8. Аспергилл дымящий представляет собой плесневый грибок, опасный для людей, имеющих ослабленный иммунитет, поражающий в первую очередь органы дыхания.
  9. Бледная трепонема провоцирует развитие сифилиса. Сегодня это вполне излечимая на первых стадиях болезнь, но в третичной – чревата необратимыми изменениями в организме и смертью.
  10. Стафилококк золотистый мы уже давно связываем с пневмонией и менингитом, сепсисом. Его опасность в высокой устойчивости к антибиотикам.
Разделение на плохие и хорошие
Разделение на плохие и хорошие

Бактерии, благотворно влияющие на человеческий организм, имеют название микробиота. В человеке их множество – миллионы:

  1. В кишечнике в первую очередь полезное действие оказывают лакто- и бифидобактерии. К ним относят ацидофильную палочку, анаэробную молочно-кислую бактерии. Важно поддерживать их необходимое количество, употребляя кисломолочные продукты.
  2. В коже и дыхательных путях активно действуют микроорганизмы, относящиеся к стафило-, стрепто- и микрококкам. Они помогают в своей среде обитания, но при попадании в рану или, к примеру, при переизбытке приводят к заболеваниям.
  • Как показывает практика – практически в любых, от клокочущих гейзеров, внутри которых температурные условия те же, что и в кипящем чайнике – до 100 С°. Нефть, кислота – эта среда также не пугает бактерии, и они могут существовать в тех условиях, где не выживет более совершенный организм.
  • Есть предположение, что космос также заселен некоторыми видами бактерий, и эта гипотеза стала основанием для одной из версий, поясняющей происхождение жизни на Земле.

Морфология

Различные морфотипы бактерий

Различные морфотипы бактерий

Бактериальные клетки имеют чрезвычайно разнообразную морфологию (то есть форму и размер). Как правило, бактериальные клетки в десять раз мельче эукариотических и достигают 0,5—5 мкм в длину. Однако есть и бактерии, видимые невооружённым глазом: так, Thiomargarita namibiensis достигает половины миллиметра в длину[27], а длина Epulopiscium fishelsoni может составлять 0,7 мм[28].

Большинство бактерий имеют шарообразную (кокки) или палочковидную (бациллы) форму[31]. Некоторые бактерии, называемые вибрионами[en], выглядят как слегка закрученные палочки или запятые; спириллы имеют спиральную форму, а спирохеты имеют длинные плотно закрученные клетки. Описаны и бактерии с другими необычными формами клеток, например, клетками в форме звезды[32].

Размеры прокариот по сравнению с другими организмами и биомолекулами

Размеры прокариот по сравнению с другими организмами и

биомолекулами

Многие виды бактерий существуют в виде одиночных клеток, однако у некоторых видов клетки образуют характерные скопления: например, клетки Neisseria объединены в пары, у Streptococcus — в цепочки, у Staphylococcus — в скопления в виде грозди винограда. Некоторые бактерии могут формировать более сложные многоклеточные структуры.

Так, Actinobacteria формируют длинные филаменты (внутриклеточные нитевидные образования), Myxococcales образуют плодовые тела, а Streptomyces образуют ветвящиеся нити[34]. Иногда такие сложные структуры появляются только при некоторых условиях. Например, при нехватке аминокислот клетки Myxococcales определяют расположение соседних клеток того же вида с помощью чувства кворума, движутся навстречу друг другу и формируют плодовые тела до 500 мкм длиной, состоящие из около 100 тысяч бактериальных клеток[35].

Бактерии часто прикрепляются к какой-либо поверхности и формируют плотные скопления, известные как биоплёнки, или более крупные скопления — бактериальные маты. Толщина биоплёнок и матов может составлять от нескольких микрометров до полуметра, в их состав могут входить бактерии разных видов, а также археи и протисты.

В биоплёнках наблюдается сложное расположение клеток и внеклеточных компонентов, которые формируют вторичные структуры, известные как микроколонии, через которые проходит сеть каналов, обеспечивающая лучшую диффузию питательных веществ[37][38]. В таких местообитаниях, как почва и поверхность растений, большинство бактерий, прикреплённых к поверхностям, входят в состав биоплёнок[39].

Строение клетки

Клетка бактерии

Прокариотические клетки – это наиболее примитивные, очень просто устроенные, сохраняющие черты глубокой древности организмы. К прокариотическим (или доядерным) организмам относят бактерии и синезеленые водоросли (цианобактерии). На основании общности строения и резких отличий от других клеток их выделяют в самостоятельное царство дробянки.

Рассмотрим строение прокариотической клетки на примере бактерий.

Генетический аппарат представлен ДНК единственной кольцевой хромосомы, находится в цитоплазме и не отграничен от нее оболочкой. Такой аналог ядра называют нуклеоидом. ДНК не образует комплексов с белками и поэтому все гены, входящие в состав хромосомы, “работают”, т.е. с них непрерывно считывается информация.

Прокариотическая клетка окружена мембраной, отделяющей цитоплазму от клеточной стенки, образованной из сложного, высокополимерного вещества. В цитоплазме органелл мало, но присутствуют многочисленные мелкие рибосомы (бактериальные клетки содержат от 5000 до 50 000 рибосом).

Цитоплазма пронизана мембранами, образующими эндоплазматическую сеть, в ней и находятся рибосомы, осуществляющие синтез белков.

Внутренняя часть клеточной стенки представлена плазматической мембраной, выпячивания которой в цитоплазму образуют мезосомы, участвующие в построении клеточных перегородок, репродукции, и являются местом прикрепления ДНК. Дыхание у бактерий осуществляется в мезосомах, у сине-зеленых водорослей в цитоплазматических мембранах.

У многих бактерий внутри клетки откладываются запасные вещества: полисахариды, жиры, полифосфаты. Резервные вещества, включаясь в обмен веществ, могут продлевать жизнь клетки в отсутствие внешних источников энергии.

(1-клеточная стенка, 2-наружная цитоплазматическая мембрана, 3-хромосома(кольцевая молекула ДНК), 4-рибосома, 5-мезосома, 6-впячивание наружной цитоплазмотической мембраны, 7-вакуоли, 8-жгутики, 9-стопки мембран, в которых осуществляется фотосинтез)

Как правило, бактерии размножаются делением надвое. После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, закладывающаяся в направлении снаружи внутрь, затем дочерние клетки расходятся или остаются связанными в характерные группы – цепочки, пакеты и т.д. Бактерия – кишечная палочка каждые 20 минут удваивает свою численность.

Для бактерий характерно спорообразование. Оно начинается с отшнуровывания части цитоплазмы от материнской клетки. Отшнуровавшаяся часть содержит один геном и окружена цитоплазматической мембраной.

Затем вокруг споры вырастает клеточная стенка, нередко многослойная. У бактерий наблюдается половой процесс в форме обмена генетической информацией между двумя клетками.

Половой процесс повышает наследственную изменчивость микроорганизмов.

Форма прокариотических клеток не так уж и разнообразна. Круглые клетки называются кокки. Такую форму могут иметь как археи, так и эубактерии. Стрептококки – это кокки, вытянутые в цепочку. Стафилококки – это «грозди» кокков, диплококки –кокки, объединенные по две клетки, тетрады – по четыре, и сарцины – по восемь.

Палочкообразные бактерии называются бациллами. Две палочки – диплобациллы, вытянутые в цепочку – стрептобациллы. Еще выделяют коринеформные бактерии (с расширением на концах, похожим на булаву), спириллы (длинные завитые клетки), вибрионы (коротенькие загнутые клетки) и спирохеты (завиваются не так, как спириллы).

Форма бактериальной клетки является одним из важнейших систематических признаков.

а) диплококки – две клетки в одной капсуле. Представители: пневмококк – возбудитель пневмонии;

б) стрептококки – образованны кокками в виде цепочки. Представители: возбудители ангины и скарлатины;

в) стафилококки – напоминают виноградную гроздь. Представители: разные штаммы стафилококков вызывают фурункулёз, воспаление лёгких, пищевые отравления и некоторые другие заболевания.

а) неспорообразующие палочки называют бактериями. Представители: обычные кишечные симбионты, возбудители брюшного тифа, клубеньковые бактерии;

б) спорообразующие палочки называют бациллами. Представители: очень много в почве, например, азотофиксирующие бактерии, возбудители сибирской язвы, возбудитель туберкулёза – палочка Коха.

3) Спириллы, спирохеты – спиралевидной формы.

а ) спириллы – спиральные палочки с одним жгутиком. Представители: обычные обитатели ротовой полости.

б) спирохеты – форма клеток очень сложна, но есть различия по способу передвижения. Представители: обычные обитатели ротовой полости, возбудитель сифилиса.

4) Вибрионы – короткие палочки, всегда изогнутые в виде запятой. Представители: возбудитель холеры.

Прокариоты появились на Земле около 3,5 млрд лет назад и были, вероятно, первой клеточной формой жизни, дав начало современным прокариотам и эукариотам.

Бактерии не имеют

Прокариотические клетки по своему строению мельче и проще клеток эукариот. Среди них не бывает многоклеточных организмов, лишь иногда образуют подобие колоний. У прокариот нет ни только клеточного ядра, но и всех мембранных органелл (митохондрий, хлоропластов, ЭПС, комплекса Гольджи, центриолей и др.).

К прокариотам относятся бактерии, синезеленые водоросли (цианобактерии), археи и др. Прокариоты были первыми живыми организмами на Земле.

Функции мембранных структур выполняют выросты (впячивания) клеточной мембраны во внутрь цитоплазмы. Они бывают трубчатыми, пластинчатыми, иной формы. Ряд из них называют мезосомами. Фотосинтезирующие пигменты, дыхательные и другие ферменты располагаются на таких различных образованиях и таким образом выполняют свои функции.

Вместо белков, придающих форму хромосоме как у эукариот, здесь находится РНК. Хромосома не отделена от цитоплазмы мембранной оболочкой, поэтому говорят, что прокариоты — безъядерные организмы.

Однако в одном месте хромосома прикреплена к клеточной мембране.

Кроме нуклеоида в строении прокариотических клеток отмечается наличие плазмид (малых хромосом также кольцевой структуры).

В отличие от эукариот цитоплазма прокариот неподвижна.

У прокариот есть рибосомы, однако они мельче рибосом эукариот.

В биологии

Прокариотические клетки отличаются сложным строением своих оболочек. Кроме цитоплазматической мембраны (плазмалеммы), у них есть клеточная стенка, а также капсула и другие образования, в зависимости от типа прокариотического организма. Клеточная стенка выполняет опорную функцию и препятствует проникновению вредных веществ. В состав клеточной стенки бактерий входит муреин (гликопептид).

Обратите внимание

На поверхности прокариот часто имеются жгутики (один или множество) и различные ворсинки. С помощью жгутиков клетки перемещаются в жидкой среде. Ворсинки выполняют разные функции (обеспечивают несмачиваемость, прикрепление, переносят вещества, участвуют в половом процессе, образуя конъюгационный мостик).

Прокариотические клетки делятся бинарным делением. У них нет митоза и мейоза. Перед делением нуклеоид удваивается.

Прокариоты часто образуют споры, которые являются способом переживания неблагоприятных условий.

Споры ряда бактерий сохраняют жизнеспособность при высокой и крайне низкой температурах. При образовании споры прокариотическая клетка покрывается толстой плотной оболочкой. Ее внутреннее строение несколько изменяется.

Наукой доказано, что именно прокариотам мы обязаны зарождением жизни на Земле. Чтобы понять, почему бактерии относят к прокариотам, необходимо иметь общие представления о строении клетки бактерий и более высокоразвитых живых организмов, таких как растения и животные.

Эукариоты имеют истинное ядро, в котором и хранится вся наследственная информация. Ядро у животных и растений отделено от цитоплазмы мембраной, состоящей из двух слоев, поэтому их относят к ядерным организмам. Геном клеток эукариотов (ядерных) состоит из конкретного набора хромосом, которые связаны с белками-гистонами.

Если рассматривать природу клетки бактерий и растений, то для клеток растений характерно наличие пластид и центральной вакуоли, а запасом питательных веществ является крахмал. Клеточная стенка у растений состоит из целлюлозы.

Клетки животных не имеют центральной вакуоли и пластид. Запас питательных веществ составляет гликоген. Клеточная стенка животных и грибов состоит из хитина. Прокариотам, так же как и эукариотам, свойственен набор рибосом, но у бактерий они гораздо мельче.

Цитоплазма клетки эукариотов состоит из отсеков, разделенных между собой оболочками из липидов. В каждом таком отделении протекают свои химические процессы, чего не наблюдается у прокариотов. То, что бактерии относят к доядерным организмам, говорит о том, что процессы эволюции происходили от простого организма к более сложному.

Бактерии

Природа строения клетки микробов позволяет им быстро приспосабливаться к различным условиям, видоизменяться и жить в таких условиях, где для других организмов жизнь невозможна.

Строение клетки типичной грамположительной бактерии (обратите внимание на наличие только одной клеточной мембраны)

Строение клетки типичной грамположительной бактерии (обратите внимание на наличие только одной клеточной мембраны)

Бактериальная клетка окружена мембраной, состоящей в основном из фосфолипидов. Мембрана окружает всё содержимое клетки и выступает в роли барьера для удержания в клетке питательных веществ, белков и других компонентов цитоплазмы[41]. В отличие от клеток эукариот, у бактерий, как правило, отсутствуют крупные мембранные органеллы, такие как ядро, митохондрии, хлоропласты[42].

Однако у некоторых бактерий имеются органеллы с белковой оболочкой, в которых протекают определённые метаболические процессы[43][44], например, карбоксисомы[45]. Кроме того, у бактерий имеется многокомпонентный цитоскелет, который контролирует локализацию нуклеиновых кислот и белков внутри клетки и управляет клеточным делением[46][47][48].

Многие важные биохимическиереакции, такие как образование АТФ, происходят за счёт градиента концентрации определённых ионов по разные стороны мембраны, что создаёт разность потенциалов, как в батарейке. Поскольку у бактерий нет мембранных органелл, такие реакции (например, перенос электронов) протекают при участии мембраны бактериальной клетки, обращённой во внешнюю среду в случае грамположительных бактерий или в периплазматическое пространство в случае грамотрицательных бактерий[49].

Однако у многих фотосинтезирующих бактерий мембрана образует многочисленные складки, которые заполняют почти всё внутреннее пространство клетки[50]. На этих складках располагаются светопоглощающие комплексы, однако у некоторых бактерий, например, зелёных серных бактерий, светопоглощающие комплексы находятся внутри особых мембранных пузырьков — хлоросом[51].

Метаболизм

У бактерий наблюдается колоссальное разнообразие видов метаболизма[81]. Традиционно таксономия бактерий строилась на основе их метаболических особенностей, однако она во многом не совпадает с современной классификацией, построенной на геномных последовательностях[82]. Бактерии делятся на три типа питания в зависимости от ключевых черт метаболизма: источника энергии, донораэлектронов и источника углерода[83].

Бактерии не имеют

Бактерии получают энергию двумя способами: поглощая свет в ходе фотосинтеза или окисляя химические соединения (хемосинтез)[84]. Хемотрофы используют в качестве источника энергии химические вещества, перенося электроны с имеющегося донора на конечный акцепторэлектронов в ходе окислительно-восстановительной реакции.

Высвобождающаяся при этой реакции энергия далее используется для нужд метаболизма. В зависимости от того, какое вещество используется как донор электронов, хемотрофы подразделяются ещё на несколько групп. Бактерии, использующие неорганические вещества, такие как водород, угарный газ или аммиак, называются литотрофами, а бактерии, окисляющие органические соединения, называются органотрофами.

Многие бактерии удовлетворяют свои потребности в углероде за счёт органических соединений; такие бактерии называются гетеротрофами. Другие бактерии, например, цианобактерии и некоторые пурпурные бактерии, являются автотрофами, то есть получают углерод, фиксируя углекислый газ[85]. В некоторых условиях метанотрофные бактерии используют метан и как источник электронов, и как источник углерода[86].

Типы питания бактерий
Тип питания Источник энергии Источник углерода Примеры
Фототрофы Солнечный свет Органические вещества (фотогетеротрофы) или фиксированный углекислый газ (фотоавтотрофы) Цианобактерии, зелёные серные бактерии, Chloroflexi[en], пурпурные бактерии
Литотрофы Неорганические соединения Органические вещества (литогетеротрофы) или фиксированный углекислый газ (литоавтотрофы) Thermodesulfobacteria[en], Hydrogenophilaceae[en], Nitrospirae[en]
Органотрофы Органические соединения Органические вещества (хемогетеротрофы) или фиксированный углекислый газ (хемоавтотрофы) Bacillus, Clostridium, Enterobacteriaceae

Метаболизм бактерий имеет огромное значение для экологической стабильности и деятельности человека. Например, некоторые бактерии являются единственными фиксаторами атмосферногоазота (с помощью фермента нитрогеназы)[87]. Другими важными для окружающей среды химическими процессами, осуществляемыми бактериями, являются денитрификация, восстановление сульфата и ацетогенез[88][89].

Метаболические процессы бактерий также могут служить источниками загрязнения. Так, сульфатредуцирующие бактерии образуют высокотоксичные соединения ртути (метил- и диметилртуть)[90]. Ряд анаэробных бактерий осуществляет брожение для получения энергии, и его побочные продукты (например, этанол при спиртовом брожении) попадают в окружающую среду.

Численность бактерий на планете Земля

  • Подсчитано, что на Земле свыше 1,4 млн. бактерий. В ходе подсчета этой цифры ученым пришлось прибегнуть к построению филогенетических деревьев, с применением математики и анализом определенных разновидностей РНК. Это дало возможность отследить изменение видов и эволюцию бактерий.
  • Выяснилось, что некоторые бактерии исчезают в процессе эволюции, их общее число постоянно возрастает, и сегодня, если взять за точку отсчета общую биомассу на Земле, бактерии уступают только растениям.

Время размножения бактерий

  • Как и любое явление, деление бактерии подчиняется законам термодинамики, по которым время размножения связано с количеством выделяемой наружу теплоты и составляет около шестой части выделяемой теплоты.
  • Проще говоря, создание для бактерии идеальных условий может заставить бактерию делиться практически каждые полчаса. Если бы это было возможно, в течение суток дочерние клетки одной бактерии достигли бы массы в почти 2 тыс. тонн, а за 5 дней заселили бы все водное пространство планеты.
  • Известно, что в качестве опыта использовалась морская псевдомонада, помещенная в оптимальные условия: ее популяция удваивалась практически через 10 минут.
Многие бактерии размножаются бинарным делением (сравните с митозом и мейозом на этой схеме)

Многие бактерии размножаются бинарным делением (сравните с

митозом

и

мейозом

на этой схеме)

В отличие от многоклеточных организмов, у одноклеточных организмов (и бактерий в том числе) рост, то есть увеличение клетки в размерах, и размножение путём деления клеток тесно связаны[92]. Бактериальные клетки достигают определённого размера и после этого делятся бинарным делением. В оптимальных условиях бактерии растут и делятся очень быстро, описан пример морской псевдомонады, популяция которой может удваиваться каждые 9,8 минуты[93].

При бинарном делении образуются две дочерние клетки, идентичные материнской. Некоторые бактерии, хотя и размножаются простым делением, образуют более сложные структуры, предназначенные для распространения дочерних клеток. Примером могут служить плодовые тела миксобактерий и воздушные гифыстрептомицетов.

В лаборатории бактерии растят на твёрдых или жидких средах. Твёрдые среды, такие как агар, используются для изоляции[en] чистых культур бактериальных штаммов. Жидкие среды используются, когда необходимо измерять скорость роста или получить большое количество клеток. При выращивании бактерий в жидкой среде с перемешиванием получаются однородные клеточные культуры, однако сложно заметить загрязнение другими бактериями.

Бактерии не имеют

Для большинства лабораторных методов выращивания бактерий необходимы большие количества питательных веществ, чтобы обеспечить быстрое получение больших объёмов клеток. Однако в естественных условиях питательные вещества ограничены, и бактерии не могут размножаться бесконечно. Из-за ограниченного количества питательных веществ в ходе эволюции появились различные стратегии роста.

Некоторые виды растут чрезвычайно быстро, когда питательные вещества доступны, например, цианобактерии нередко вызывают цветение водоёмов, насыщенных органикой[97]. Другие организмы адаптированы к жёстким условиям окружающей среды, например, бактерии рода Streptomyces выделяют антибиотики, которые подавляют рост конкурирующих бактерий[98].

В природе многие виды бактерий живут сообществами (например, в виде биоплёнок), которые обеспечивают каждую клетку необходимым питанием и защищают от неблагоприятных условий[39]. Некоторые организмы и группы организмов растут только в составе сообществ и не могут быть выделены в чистую культуру[99].

Динамику роста бактериальной популяции можно подразделить на четыре фазы. Когда популяция бактерий попадает в среду, богатую питательными веществами, клетки начинают адаптироваться к новым условиям. Первая фаза роста называется лаг-фазой, это период медленного роста, когда клетки адаптируются к среде, богатой питательными веществами, и готовятся к быстрому росту.

Во время лаг-фазы происходит интенсивный синтез белков[100]. За лаг-фазой следует логарифмическая, или экспоненциальная фаза, во время которой происходит быстрый экспоненциальный рост. Скорость, с которой клетки растут во время этой фазы, называют скоростью роста, а время, которое необходимо для удвоения клеточной популяции, называется временем генерации.

В ходе лог-фазы питательные вещества потребляются с максимальной скоростью, до тех пор пока одно из необходимых соединений не кончится и не начнёт подавлять рост. Третья фаза роста называется стационарной, она начинается при нехватке питательных веществ для быстрого роста. Скорость метаболизма падает, и клетки начинают расщеплять белки, не являющиеся строго необходимыми.

Формы бактерий, внешний вид: примеры

Ядро — важнейшая структура в клетках эукариот. Оно представляет собой центр управления клетки и хранилище ин­формации о ней. В ядре содержится более 90[VV75] % клеточной ДНК — вещества, являющегося носителœем наследственной информации.

Роль ядра в управлении процессами жизнедеятельности клеток была доказана экспериментально. В начале 1930-х годов ученый И. Гиммерлинг в ка­честве объекта для опытов по регенерации выбрал зелœе­ную водоросль ацетабулярию (рис. ).

Эта водоросль, обитающая в Средиземном море, замечательна тем, что представляет собой одну гигантскую (размером до 5 см) клетку сложной формы. Клетка имеет корнеподобные ризоиды, тонкий стебелœек и сложной формы шляпку, в которой образуются споры.

Имеется единственное круп­ное ядро, расположенное у основания ножки.

Гиммерлинг пересадил ядро от одного вида ацетабулярии другому, с иной формой шляпки (см. рис. ). В случае если затем шляпку удалить, она вырастет снова, но при этом ее форма окажется не такой, как прежде. Отросшая шляпка будет иметь форму, харак­терную для вида, от которого взято ядро.

А вот из средней части стебелька не вырастает ничего.

Гиммерлинг предположил, что ядро управляет раз­витием шляпки с помощью каких-то веществ, выделяе­мых в цитоплазму. Эти вещества транспортируются по стебельку в его верхнюю часть и накапливаются там. Вот почему даже при удалении ядра может происходить регенерация. Возникла идея, что ядро управляет жиз­нью клетки с помощью веществ — «инструкций», посы­лаемых в цитоплазму.

Как в дальнейшем выяснилось, такими веществами являются молекулы информационной РНК. Именно они передают инструкции ядра в цитоплазму и обеспечивают синтез необходимых ферментов, управляющих жизнедеятельностью клетки, в том числе процессами регене­рации.

Бактерии не имеют

Большинство клеток имеет одно ядро, изредка встречаются двухъядерные (клетки печени, инфузория-туфелька) и много­ядерные (многие протисты, клетки грибов, поперечнополосатые мышечные волокна). Неко­торые клетки в зрелом состоянии не имеют ядра. Таковыми являются эритроциты млекопитающих и клетки ситовидных трубок цвет­ковых растений.

Важно

Обычно ядро имеет шаровидную форму. Оно может быть также линзовидным, веретеновидным и даже многолопастным (в клетках зернистых лейкоцитов). В животной клетке ядро обычно расположено в центре, а в рас­тительной, как правило, находится на периферии клетки (центральную часть обычно занимает крупная вакуоль).

Общий план строения ядра одинаков у всœех клеток эукариот (рис. ). Оно состо­ит из ядерной оболочки, ядерного матрикса (нуклеоплазмы), хро­матина и ядрышка (одного или нескольких).

От цитоплазмы содержимое ядра отделœено ядерной оболочкой,состоящей из двух мембран.Наружная мембрана, граничащая с цитоплазмой клетки, в некоторых местах переходит в каналы эндоплазматического ретикулума; к ней при­креплены рибосомы.

Внутренняя мембрана, контактирующая с нуклеоплазмой, гладкая.

Ядерная оболочка пронизана множе­ством пор, по которым из ядра в цитоплазму выходят молекулы иРНК и тРНК, а в ядро из цитоплаз­мы проникают структурные белки, ферменты, нуклеотиды, молекулы АТФ, неорганические ионы и т. д.

Содержимое ядра представляет собой гелœеобразный матрикс, называ­емый ядерным матриксом (нуклеоплазмой). Ядерный матрикс содержит белки, РНК, а также различные ионы и нуклеотиды. В нем располагаются хроматин и одно или несколько яд­рышек.

На окрашенных пре­паратах хроматин представляет собой сеть тонких тяжей (фибрилл), мел­ких гранул или глыбок. Основу хроматина составляют нуклеопротеины — длинные нитевидные мо­лекулы ДНК, соединœенные со спе­цифическими хромосомными белками. В состав хроматина входят так­же РНК, синтез которых осуществляется на ДНК.

Ядрышки— это округлые, силь­но уплотненные, не ограниченные мембраной участки клеточного ядра. В ядре может быть одно, два или не­сколько ядрышек.

Во время делœения клетки ядрышки разрушаются, а в конце делœения формируются вновь вок­руг определœенных участков ДНК. Здесь происходит синтез рибосомных РНК и объеди­нение их с молекулами белка, что ве­дет к образованию субъединиц ри­босом.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ядрышко представляет собой место синтеза рРНК и самосборки субъединиц рибосом.

Хромосомы. Перед делœением клетки хроматин плотно скручива­ется, образуя палочковидные образования – хромосомы.

Ядерные белки (гистоны) при этом обеспечивают правильную укладку ДНК, в результате которой ее длина во много раз уменьшается.

Совет

В растянутом виде длина ДНК одной хромосомы человека может достигать 5 см[VV76] . Каждая хромосома образована одной молекулой ДНК.

У каждой хромосомы имеется первичная перетяжка(центромера), которая делит хро­мосому на два плеча(рис. ). Хромосомы с равными или почти равными плечами называются равнопле­чими, с плечами неодинаковой длины— неравноплечими; хромосомы содним длинным и другим очень коротким, едва за­метным плечом — палочковидными.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи одного из концов хромосомы и отделяет маленький участок – спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на них в интерфазе [BЭ77] происходит образование ядрышка.

Понятие о кариотипе. Каждой клетке того или иного вида живых организмов свойственно определœен­ное число, размеры и форма хро­мосом. Совокупность хромосом, содержащихся в клетках [BЭ78] определœенного вида организмов, принято называть кариотипом (от греч. карион – орех, ядро; типос – образец, форма).

Кариотип видоспецифичен (неповторим), и даже если число хромосом в клетках каких-либо видов будет одинаковым (к примеру, у картофеля и шимпанзе по 48 хромосом в клетке), то форма и строение хромосом будут разными.

Число хромосом в зрелых поло­вых клетках называют гаплоидным набороми обозначают буквой п.

Клетки, составляющие ткани любого организма, получили название соматических (сома – тело).

Имеют ли бактерии ядро, или Особенности строения прокариотических клеток

Ядра таких клеток содержат, как правило, двой­ной, или диплоидный, на­бор хромосом,обозначаемый 2п. Парные хромосомы, ᴛ.ᴇ.

Обратите внимание

оди­наковые по форме, структуре и раз­мерам, но имеющие разное проис­хождение (одна материнская, дру­гая отцовская), называются гомоло­гичными.

Клетки, име­ющие более двух наборов хромосом, называют полиплоидными (4п, 8п и т.д.).

Между количеством хромосом в кариотипе и уровнем органи­зации живых организмов не наблюдается прямой связи. Прими­тивные формы могут иметь большее число хромосом, чем высокооргани­зованные, и наоборот.

К примеру, клетки радиолярий (морских планктонных протистов) содержат 1000—1600 хро­мосом, а клетки шимпанзе — всœего 48.

1. Каковы основные функции ядра? 2. Из каких компонентов состоит ядро? 3. Что представляет собой хроматин? 4. Что собой представляют ядрышки? 5.

Какие структуры ядра содержат молеку­лы ДНК? 6.Каким образом отсутствие ядра влияет на свойства клетки? Ответ обоснуйте. 7.Что такое кариотип? 8.

Почему существование видов связано со стабильностью их кариотипа?

По строению клеток всœе живые организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты. Прокариоты(от лат. про —перед, вместо и греч. карион — ядро) — доядерные организмы, клетки которых не имеют оформленого ядра.

К прокариотам относятся Настоящие бактерии[VV80] , Цианобактерии. Эукариоты(от греч. эу —полностью, хорошо и карион —ядро) – ядерные организмы (их клетки имеют ядро). Эукариотами являются протисты, грибы, растения и животные.

Каковы отличительные признаки прокариотических клеток по сравнению с эукариотическими?

Важно

Размеры клеток прокариот, как правило, значительно меньше, чем у эукариот и находятся в пределах 0,2 — 10 мкм. Правда, есть и исключения — описана огром­ная[BЭ81] бактериальная [VV82] клетка длиной 100 мкм.

Форма клеток прокариот разнообразна: шаровид­ная (кокки), палочковидная (бациллы), в виде изог­нутой (вибрионы) или спирально закрученной (спи­риллы) палочки[VV83] и др.

Поверхностный аппарат клеток прокариот состоит из цитоплазматической мембраны (одной или двух), клеточной муреиновой оболочки, а у некоторых групп бактерий еще дополнительной слизистой капсулы.

Бактерии не имеют

Строение плазмалеммы сходно с таковой у эукариот. Клеточная мембрана прокариот обра­зует многочисленные впячивания внутрь клетки — мезосомы.На них располагаются ферменты, обеспечивающие протекание разнообразных реакций обмена ве­ществ.

Клеточная оболочка бактерий существенно отличается по строению от оболочек клеток растений и грибов. В ней есть особая жесткая решет­ка, состоящая из муреина[VV84] . Муреин(от лат. мурус — стенка)это —полисахарид, со­стоящий из чередующихся остатков двух аминосахаров.

Молекула муреина представ­ляет собой правильную сеть из парал­лельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими пептидными цепочками (рис. ). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, каждая бактериальная клетка окружена сетевидным муреиновым мешком, образованным, по сути дела, одной моле­кулой.

По строе­нию клеточной стенки бактерии подразделяются на две группы — грамположительные (окрашиваются по Граму в фиолетовый цвет) и грамотрицательные (обесцвечиваются при от­мывке красителя, в связи с этим при окраске по Граму приобретают розовый цвет).

У грамположительных бактерий муреиновая сеть многослойная. Вместе с тем, в нее встроены дру­гие вещества, главным образом белки и полисахариды.

Совет

У грамотрицательных бактерий кле­точная оболочка тоньше, чем у грамполо­жительных, но устроена она сложнее (рис. ). У этих бактерий снаружи от муреинового слоя расположен дополнительный слой клеточной оболочки — наружная мембрана. Она состоит из фосфолипидов и белков.

Наличие наружной мембраны у грамотрицательных бакте­рий значительно расширяет круг функций клеточной стенки. Так, наружная мембрана осуществляет регуляцию транспорта ве­ществ и ионов, необходимых клетке.

  • Как уже говорилось, бактерии могут быть сферическими. Их представляют кокки. Микро – это клетки, которые расположены отдельно; дипло – парами, стафило — гроздьями, стрепто – цепочкой; а также сарцина (пакеты от 8 клеток). Их размер – до 1 мкм.
  • Палочковидным бактериям характерна прямая форма, они имеют до 8 мкм в длину и до 2 мкм – в толщину.  Форма может быть неправильной, вплоть до ветвящейся, какую имеют, к примеру, актиномицет. Если палочка немного изогнутой формы – ее называют вибрионом.
  • Также можно назвать риккетсию,  хламидию, которая вне пределов клетки является сферической, микоплазмы, у которых отсутствует клеточная стенка и т.д.
  • Бактерии извитых форм напоминают спираль, как, например, спирилла, похожая на штопор. А вот хеликобактер похож своими изгибами на крылья чайки в полете. Также близка к этому виду бактерий спирохета, имеющая спиралевидную форму и обладающая подвижностью. Лептоспира же – с частыми завитками, которые напоминают закрученную веревку.

Генетика

У большинства бактерий геном представлен единственной кольцевой молекулой ДНК (её иногда называют хромосомой), а размер генома варьирует от 160 тысяч пар оснований (п. о.) у эндосимбиотической бактерии Carsonella ruddii[en][103] до примерно 13 миллионов п. о. у почвенной бактерии Sorangium cellulosum[en][104].

Впрочем, у ряда представителей родов Streptomyces и Borrelia геном представлен единственной линейной хромосомой[105][106], а у некоторых видов рода Vibrio имеется более одной хромосомы[107]. Многие бактерии также содержат плазмиды — маленькие внехромосомные молекулы ДНК, которые содержат несколько генов, обеспечивающих своих обладателей разными полезными свойствами: устойчивостью к антибиотикам, новыми метаболическими реакциями и разнообразными факторами вирулентности[108].

В бактериальных геномах, как правило, содержится от нескольких сотен до нескольких тысяч генов. Бактериальные гены, за редкими исключениями, лишены интронов, а если они и есть, то очень короткие[109].

При делении бактериальной клетки дочерние клетки наследуют идентичные копии её генома и, по сути, являются её клонами. Однако в геномах бактерий постоянно происходят мутации, лучшие из которых поддерживаются отбором, кроме того, иногда у бактерий происходит и генетическая рекомбинация. Мутации возникают из-за ошибок ферментов, удваивающих ДНК, а также под действием мутагенов.

Бактерии не имеют

Скорость мутирования значительно различается не только у бактерий разных видов, но даже и у разных клонов, относящихся к одному виду[110]. Изменения в бактериальных геномах происходят также благодаря случайным мутациям и так называемым стресс-направленным мутациям (то есть гены, отвечающие за какой-либо процесс, сдерживающий рост, мутируют особенно часто)[111].

У некоторых бактерий клетки могут обмениваться друг с другом генетическим материалом. Существует три способа обмена генетической информацией между бактериями. Во-первых, бактериальные клетки могут поглощать экзогенную ДНК из окружающей среды в ходе процесса, называемого трансформацией[112]. Некоторые бактерии поглощают ДНК извне в нормальном состоянии, а другие начинают захватывать чужеродную ДНК после химического воздействия, то есть они должны прежде стать компетентными[en][113].

В природе компетентность развивается при стрессовых условиях и выступает в роли адаптивного механизма, потому что захваченный извне фрагмент ДНК может оказаться полезным для переживания неблагоприятных условий[114]. Во-вторых, бактерия может получить чужеродную ДНК в ходе трансдукции, когда бактериофаг не только сам вставляется в бактериальную хромосому, но и приносит с собой фрагмент генома другой бактерии.

Существует множество бактериофагов, но для всех них существует два типа жизненного цикла: литический цикл, когда клетка-хозяин разрушается вскоре после заражения, высвобождая наружу новые вирусные частицы, и лизогенный цикл, когда бактериофаг встраивается в геном бактерии и до некоторого момента мирно сосуществует с ней[115].

У бактерий существует ряд механизмов защиты от бактериофагов, в частности, система рестрикции-модификации[116] и система CRISPR/Cas. Система CRISPR/Cas, по сути, играет роль адаптивного иммунитета, потому что фрагменты геномов фагов, заразивших клетку, встраиваются в локус CRISPR, и при повторном заражении их репликация подавляется за счёт РНК-интерференции[117][118].

В-третьих, бактериальные клетки обмениваются генетическим материалом в ходе конъюгации, когда ДНК передаётся из одной клетки в другую при непосредственном контакте. Обычно передача генетического материала любым из трёх механизмов подразумевает участие бактерий одного вида, однако в некоторых случаях ДНК обмениваются бактерии разных видов.

Из чего состоят бактерии?

  • Клеточная стенка бактерии содержит полисахариды, белки, липиды. В основном же стенка состоит из многослойного пептидогликана.  Также стенка содержит наружную мембрану, которая своей трехслойной структурой похожа на цитоплазматическую (внутреннюю) мембрану. Обе мембраны состоят преимущественно из липидов.
  • Наружная мембрана изнутри состоит из фосфолипидов, наружный слой – это  липополисахариды. Пространство между мембранами заполнено ферментами. Внутренняя мембрана имеет три слоя, ее структура – это фосфолипиды в два слоя и интегральные белки.
Состав
Состав
  • Цитоплазму составляют белки, рибонуклеиновые кислоты, рибосомы. Также наличествуют запасные питательные вещества: гликоген, волютин, полисахариды.
  • Аналогом ядра можно назвать нуклеоид, находящийся в центре и представляющий собой закольцованную двунитевую ДНК. У нуклеоида отсутствует ядерная оболочка и ядрышко. Не представлены и гистоны.
  • В составе бактерий также можно наблюдать слизистую структуру с четкими границами, которую называют капсулой. В ее составе полисахариды, полипептиды.
  • Жгутик – это тонкая нить, длиннее самой клетки (до 15 мкм), начинающаяся с внутренней мембраны. Жгутики достигают в толщину всего 20 нм и имеют диски, с помощью которых крепятся к стенке.
  • И, наконец, неблагоприятные условия для бактерии могут провоцировать образование спор в бактериальной клетке, которые способны не только длительное время сохраняться, но и прорастать.

Поведение

Движение

Многие бактерии подвижны и перемещаются за счёт разных механизмов. Чаще всего для движения используются жгутики — длинные филаменты, которые вращаются, подобно пропеллеру[122], за счёт особого мотора у их основания. Движущей силой для мотора является электрохимический градиент клеточной мембраны[123]. В состав бактериального жгутика входят около 20 белков, а ещё 30 белков необходимы для регуляции его работы и сборки[122].

Различные варианты расположения жгутиков у бактерий: А — монотрих, B — лофотрих, C — амфитрих, D — перитрих

Различные варианты расположения жгутиков у бактерий: А — монотрих, B — лофотрих, C — амфитрих, D — перитрих

С помощью жгутиков бактерии могут двигаться по-разному. Многие бактерии, например, кишечная палочка Escherichia coli, могут двигаться вперёд или кувыркаться. За счёт кувыркания клетка меняет направление своего движения, которое представляет собой случайное блуждание в трёхмерном пространстве[124]. Количество и расположение жгутиков различно у разных видов.

У некоторых бактерий есть всего один жгутик (монотрихи), у других два жгутика располагаются на двух противоположных концах клетки (амфитрихи), у третьих на полюсах клетки находятся пучки жгутиков (лофотрихи), а у четвёртых жгутики покрывают всю поверхность клетки (перитрихи). У спирохет жгутик находится в периплазматическом пространстве между двумя мембранами. Клетки спирохет имеют характерную извитую форму, которая меняется при движении[122].

Некоторые бактерии способны к так называемым подёргиваниям[en] (англ. twitching) за счёт пилей IV типа[125], а также скольжению. При подёргивании на клетке имеется палочковидный пиль, который связывается с субстратом и сокращается, проталкивая клетку вперёд[126].

Для подвижных бактерий характерно движение, направленное навстречу какому-либо стимулу или, напротив, от него — таксис. К числу таких поведенческих программ относятся хемотаксис, фототаксис, энергетический таксис и магнитотаксис[127][128][129]. Клетки бактерий могут кооперироваться с образованием единого скопления за счёт чувства кворума, как, например, миксобактерии при образовании плодовых тел.

Некоторые виды родов внутриклеточных паразитов[en]Listeria и Shigella движутся внутри клетки-хозяина, используя её цитоскелет, который обычно используется для перемещения клеточных органелл. Стимулируя полимеризациюактина у одного из полюсов своих клеток, эти бактерии формируют своего рода актиновый хвост, который проталкивает их вперёд[130].

Коммуникация

У некоторых бактерий имеются химические системы, испускающие свет. Способность к биолюминесценции часто имеется у бактерий, живущих в симбиозе с глубоководными рыбами, и свет, производимый бактериями, привлекает рыб друг к другу или более крупных животных к рыбам[131].

Бактерии часто формируют многоклеточные скопления, известные как биоплёнки, обмениваясь разнообразными химическими сигналами, за счёт которых их движение становится координированным[132][133]. Формирование многоклеточных скоплений даёт бактериям ряд преимуществ: в них наблюдаются разделение труда между клетками и появление различных функциональных типов клеток, питательные вещества усваиваются более эффективно, обеспечивается более надёжная защита от естественных врагов. Например, бактерии в составе биоплёнок в 500 раз более устойчивы к антибиотикам, чем одиночные планктонные клетки того же вида[133].

Координированное поведение клеток одного и того же вида бактерий часто осуществляется за счёт особых химических веществ. На основе локальной концентрации этих веществ бактерия определяет плотность клеток-сородичей вокруг себя (чувство кворума). За счёт чувства кворума бактерии могут координировать экспрессию генов и начинают выделять и улавливать аутоиндукторы[en] или феромоны, концентрация которых повышается по мере роста популяции[134].

Классификация и идентификация

Филогенетическое древо, построенное на основании анализа рРНК, показывает разделение бактерий, архей и эукариот

Филогенетическое древо, построенное на основании анализа

рРНК

, показывает разделение бактерий, архей и эукариот

Бактерий можно классифицировать на основе строения клетки, метаболизма, а также различий в химическом составе клеток (наличия или отсутствия некоторых жирных кислот, пигментов, антигенов, хинонов)[96]. В то время как перечисленные характеристики подходят для выделения штаммов, непонятно, можно ли их использовать для разделения видов бактерий.

Дело в том, что у большинства бактерий нет отличительных структур, а из-за широко распространённого горизонтального переноса генов родственные виды могут сильно отличаться по морфологии и метаболизму[135]. В связи с этим в настоящее время современная классификация базируется на молекулярной филогенетике.

К числу её методов относят определение GC-состава генома, гибридизация геномов, а также секвенирование генов, которые не подверглись интенсивному горизонтальному переносу, такие как гены рРНК[136]. Релевантная классификация бактерий публикуется «Международным журналом систематической бактериологии» (англ.

International Journal of Systematic Bacteriology)[137] и руководством по систематической бактериологии Берджи (англ. Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology). Международный комитет систематики прокариот[en] (англ. International Committee on Systematics of Prokaryotes) регулирует международные правила именования таксонов бактерий и определение их рангов согласно правилам Международного кодекса номенклатуры прокариот[en] (англ. International Code of Nomenclature of Prokaryotes)[138].

Термин «бактерии» традиционно применяли по отношению к микроскопическим одноклеточным прокариотам. Однако данные молекулярной филогенетики свидетельствуют о том, что в действительности прокариоты подразделяются на два независимых домена, которые первоначально получили названия эубактерии (лат. Eubacteria) и архебактерии (лат.

Archaebacteria), но в настоящее время называются бактерии и археи[15]. Эти два домена, наряду с доменом эукариоты, составляют основу трёхдоменной системы, которая является наиболее популярной системой классификации живых организмов[139]. Археи и эукариоты состоят в более близком родстве, чем каждый из этих доменов к бактериям.

Бактерии не имеют

В медицине идентификация бактерий имеет огромное значение, поскольку от неё зависит схема лечения. По этой причине ещё до эры молекулярной биологии учёные активно разрабатывали методы, позволяющие быстро идентифицировать патогенные бактерии. В 1884 году Ганс Кристиан Грам предложил метод дифференциального окрашивания бактерий на основе строения их клеточной стенки[61].

При окрашивании по Граму грамположительные бактерии с толстым слоем пептидогликана имеют фиолетовый цвет, а грамотрицательные бактерии с тонким слоем пептидогликана окрашены в розовый. Комбинируя окрашивание по Граму и морфотипы, выделяют четыре основные группы бактерий: грамположительные кокки, грамположительные бациллы, грамотрицательные кокки, грамотрицательные бациллы.

Однако для идентификации некоторых бактерий больше подходят другие методы окрашивания. Например, микобактерии и бактерии рода Nocardia не обесцвечиваются кислотами[en] после окрашивания по Цилю — Нильсену[142]. Некоторых бактерий можно идентифицировать по их росту на специфических средах и при помощи других методов, например, серологии[143].

Методы культивирования бактерий[en] разработаны так, чтобы способствовать росту определённых бактерий, но подавлять рост других бактерий из того же образца. Часто эти методы разрабатываются специально для определённых образцов, откуда берутся микробы. Например, для идентификации возбудителя пневмонии для дальнейшего культивирования берут образец мокроты, для идентификации возбудителя диареи для выращивания на селективной среде берут образец стула, причём во всех случаях рост непатогенных бактерий будет подавляться.

Образцы, которые в норме стерильны (например, кровь, моча, спинномозговая жидкость), культивируются в условиях, подходящих для роста любых микроорганизмов[96][144]. После изоляции патогенного микроорганизма можно изучать его морфологию, особенности роста (например, аэробный или анаэробный рост), характер гемолиза[en], а также окрашивать его разными методами.

Как и для классификации бактерий, молекулярные методы всё чаще применяют и для их идентификации. Диагностика, использующая такие молекулярные методы, как полимеразная цепная реакция (ПЦР), набирает всё большую популярность благодаря своей скорости и специфичности[145]. С помощью этих методов можно обнаруживать и идентифицировать бактерии, которые, хотя и сохраняют метаболическую активность, не делятся и поэтому не могут быть выращены в культуре[146].

Бактерии не имеют

Однако даже с помощью молекулярных методов точно определить или хотя бы примерно оценить число существующих видов бактерий невозможно. По состоянию на 2018, год описано несколько тысяч видов бактерий, но лишь около 250 из них являются патогенами человека[147]. Общее число видов бактерий, по разным оценкам, составляет от 107 до 109, но даже эти оценки могут быть на порядки меньше настоящего количества видов[148][149].

Однозначная и точная концепция вида бактерий так и не сформулирована. Это связано с невероятным разнообразием бактерий, широким распространением горизонтального переноса генов, невозможностью культивирования большинства бактерий и рядом других причин. Введение ПЦР и методов секвенирования в микробиологию позволило выделять виды бактерий на основании степени их сходства с геномами уже известных бактерий, однако и этот подход зачастую оказывается неэффективен из-за огромного разнообразия бактерий[150].

Помимо видов, при классификации бактерий иногда используют другие категории. К названию не до конца подтверждённых, а только предполагаемых видов добавляют слово Candidatus[151]. Многие виды подразделяются на так называемые штаммы — морфологические или генетические варианты (подтипы) бактерий в пределах одного вида. Однако ряд специалистов считает категорию «штамм» искусственной[152].

Как делятся, размножаются бактерии: схема

  • Способ размножения бактерий присущ всем одноклеточным организмам – это деление. Оно дает существование двум дочерним клеткам, которые в свою очередь повторяют этот процесс, тем самым каждый раз удваивая количество.
  • Существует также процесс, при котором образовываются споры. Это происходит при наличии неблагоприятных условий, когда цитоплазма способна образовать, покинув материнскую оболочку, новую, которая является более плотной. Такая клетка называется спорой. Если она попадает в благоприятную среду, то возможно ее прорастание и образование полноценной бактерии.
Размножение
Размножение

Бактерии в жизни человека

  • Бактерии влияют практически на любой аспект жизни природы и человека. Именно они «работают» над кругооборотом веществ, разлагая и видоизменяя органические вещества, способствуя почвообразовательным процессам, очищая водоемы.
  • Негативное влияние на живые организмы оказывают болезнетворные бактерии, описанные выше – они вызывают заболевания не только у людей, но влияют и на животных, и на растения.
  • Бактерии используются в фармакологии, являясь компонентами лекарственных препаратов, в пищевой промышленности, способствуя производству кисломолочных продуктов, заквасок, сыров. Процесс маринования также не обходится без участия бактерий, как и винодельческое ремесло.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Полезная еда
Adblock detector