Бактерии в современном мире

Некоторые микроорганизмы могут оставаться в живых невероятно долго, вплоть до четверти миллиарда лет. Обозреватель BBC Earth рассказывает, как им удается избежать разрушений, которыми обычно сопровождается старение. Определенные виды кораллов живут тысячи лет. Американские омары - не менее лет.

Мир микробов и человек

Состояние отпатрулирована. Бактерии обычно достигают нескольких микрометров в длину, их клетки могут иметь разнообразную форму: от шарообразной до палочковидной и спиралевидной. Они населяют почву , пресные и морские водоёмы, кислые горячие источники , радиоактивные отходы [2] и глубинные слои земной коры. Бактерии часто являются симбионтами и паразитами растений и животных.

Большинство бактерий к настоящему времени не описано, и представители лишь половины типов бактерий могут быть выращены в лаборатории [3]. Один грамм почвы в среднем содержит 40 миллионов бактериальных клеток, а в миллилитре свежей воды можно найти миллион клеток бактерий.

Они играют важную роль в круговороте питательных веществ [en] , например, именно бактерии осуществляют фиксацию атмосферного азота. Они также разлагают останки животных и растений посредством гниения [6]. Экстремофильные бактерии, обитающие рядом с холодными [en] и горячими гидротермальными источниками , вырабатывают энергию из нерастворимых соединений, таких как сероводород и метан.

Предполагается, что бактерии живут и в Марианской впадине , имеющей глубину 11 километров [7] [8]. Человеческую микрофлору составляют 39 триллионов бактериальных клеток само тело человека состоит из около 30 триллионов клеток [10].

Наиболее многочисленна кишечная микрофлора , кожа также заселена многими бактериями [11]. Большинство бактерий, обитающих в человеческом теле, безвредны за счёт сдерживающего действия иммунной системы или приносят пользу микрофлора человека. Ряд бактерий патогенны для человека. Такие инфекционные болезни , как холера , сифилис , сибирская язва , проказа и бубонная чума , вызываются бактериями.

Наибольшее число смертей вызвано бактериальными респираторными инфекциями [en] , и один лишь туберкулёз ежегодно убивает 2 миллиона человек преимущественно в Африке южнее Сахары [12]. В развитых странах антибиотики используются не только для лечения заболеваний человека, но и в животноводстве , из-за чего проблема устойчивости к антибиотикам становится всё более актуальной. В промышленности бактерии используют в очистке сточных вод , для ликвидации разливов нефти , при получении сыра и йогурта , восстановлении золота , палладия , меди и других металлов из руд [13] , а также в биотехнологии , для получения антибиотиков и других соединений [14].

Первоначально бактерии поместили в царство растений в составе класса Schizomycetes. Сейчас известно, что бактерии, в отличие от растений и других эукариот , не имеют оформленного ядра и, как правило, мембранных органелл. 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. Однако для реконструкции филогении бактерий можно использовать последовательности генов , и именно с их помощью было показано, что бактерии отделились раньше архей и эукариот [20]. 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].

На данный момент неизвестны эукариоты, лишённые и митохондрий, и гидрогеносом, хотя иногда эти органеллы сильно редуцированы. Впоследствии некоторые из эукариот, уже имеющих митохондрии, проглотили клетки цианобактерий , которые стали пластидами растений и водорослей [25] [26].

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]. К числу самых мелких бактерий можно отнести представителей рода Mycoplasma , длина клеток которых не превышает 0,3 мкм , что сравнимо по размерам с вирионами некоторых вирусов [29].

Существуют ещё более мелкие бактерии ультрамикробактерии [en] , однако они плохо изучены [30]. 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]. Разнообразие форм бактериальных клеток обусловлено особенностями их клеточных стенок и цитоскелета. Форма бактериальной клетки обусловливает их способность поглощать питательные вещества , прикрепляться к поверхностям, плавать в жидкостях и ускользать от питающихся бактериями организмов [33].

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 мкм длиной, состоящие из около тысяч бактериальных клеток [35].

Бактериальные клетки в составе плодовых тел выполняют различные функции: десятая часть всех клеток мигрирует к верхней части плодового тела и превращается в особую покоящуюся форму, называемую миксоспорой, которая более устойчива к высыханию и другим неблагоприятным условиям внешней среды [36]. Толщина биоплёнок и матов может составлять от нескольких микрометров до полу метра , 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]. Биоплёнки имеют важное значение для медицины, потому что они часто образуются при хронических бактериальных инфекциях или инфекциях , связанных с инородными имплантатами. Более того, бактерии в составе биоплёнок гораздо сложнее убить, чем отдельные бактериальные клетки [40].

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 биохимические реакции , 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]. У большинства бактерий нет ядра, окружённого мембранами, и их генетический материал , в большинстве случаев представленный единственной кольцевой молекулой ДНК [en] , находится в цитоплазме в составе нуклеоида , имеющего неправильную форму [52].

Как все живые организмы, бактерии имеют рибосомы , которые обеспечивают синтез белков , однако размеры и структура рибосом бактерий отличаются от таковой у рибосом архей и эукариот [53]. У некоторых бактерий в цитоплазме имеются гранулы, запасающие питательные вещества, такие как гликоген [54] , полифосфат [55] , сера [56] или полигидроксиалканоаты [57]. Ряд бактерий, например, фотосинтезирующие цианобактерии, имеют газовые вакуоли , с помощью которых они регулируют свою плавучесть, благодаря чему могут перемещаться между слоями воды с разным содержанием питательных веществ и уровнем освещённости [58].

Поверх мембраны бактериальной клетки располагается клеточная стенка. Клеточная стенка бактерий состоит из пептидогликана , также известного как муреин, который состоит из полисахаридных цепочек, связанных пептидными линкерами из D -аминокислот [59]. По химическому составу бактериальная клеточная стенка отличается от клеточной стенки растений и грибов , у которых она состоит из целлюлозы и хитина соответственно [60].

Клеточная стенка архей также не содержит пептидогликана. Клеточная стенка жизненно необходима для многих видов бактерий, и некоторые антибиотики, такие как пенициллин , подавляют биосинтез пептидогликана и тем самым убивают бактерию [60]. В широком смысле по составу клеточной стенки бактерий принято делить на грамположительные и грамотрицательные. Название этих типов связано с их дифференциальной окраской по методу Грама , который долгое время используется для классификации бактерий [61].

У грамположительных бактерий имеется толстая клеточная стенка, состоящая из многих слоёв пептидогликана и тейхоевых кислот.

У грамотрицательных бактерий, напротив, клеточная стенка значительно тоньше и включает всего лишь несколько слоёв пептидогликана, а поверх неё залегает вторая мембрана , содержащая липополисахариды и липопротеины. Большинство бактерий грамотрицательны, и только фирмикуты и актинобактерии грамположительны ранее они были известны как грамположительные бактерии с низким GC-составом и грамположительные бактерии с высоким GC-составом соответственно [62].

Различия между грамположительными и грамотрицательными бактериями могут обусловливать различную чувствительность к антибиотикам. Например, ванкомицин эффективен только против грамположительных бактерий и не действует на грамотрицательные бактерии [63].

У некоторых бактерий строение клеточной стенки не соответствует в строгом смысле ни грамположительному, ни грамотрицательному типу. Например, у микобактерий имеется толстый слой пептидогликана, как у грамположительных бактерий, который покрыт внешней мембраной, как у грамотрицательных бактерий [64]. У многих бактерий клетка покрыта так называемым S-слоем , состоящим из плотно уложенных молекул белков [65].

S-слой обеспечивает химическую и физическую защиту клетки и может выступать в роли макромолекулярного диффузионного барьера. Функции S-слоя разнообразны, но плохо изучены, однако известно, что у Campylobacter он выступает фактором вирулентности , а у Geobacillus stearothermophilus [en] он содержит поверхностные ферменты [66].

У многих бактерий имеются жгутики , представляющие собой плотные белковые структуры около 20 нм в диаметре и до 20 мкм в длину. Они обеспечивают подвижность клеток и по строению и механизму работы не имеют ничего общего с эукариотическими жгутиками. Движение жгутиков бактерий происходит за счёт энергии, которая высвобождается при движении ионов по электрохимическому градиенту через клеточную мембрану [67]. Нередко клетки бактерий покрыты фимбриями , которые представляют собой белковые филаменты, достигающие 2—10 нм в диаметре и до нескольких мкм в длину.

Они покрывают всю поверхность бактериальной клетки и в электронный микроскоп выглядят как волоски. Предполагается, что фимбрии участвуют в прикреплении клеток бактерий к различным поверхностям и друг к другу, а у многих патогенных бактерий они являются факторами вирулентности [68]. Кроме того, пили IV типа участвуют в движении [70]. Многие бактериальные клетки выделяют покрывающий их гликокаликс различной сложности строения: от тонкого неструктурированного слоя внеклеточных полимеров [en] до высоко структурированной капсулы.

Гликокаликс может защищать бактерию от поглощения эукариотическими клетками, например, макрофагами , входящими в состав иммунной системы [71]. Он также может выступать в роли антигена , который используется для распознавания бактериальных клеток иммунной системой, а также участвовать в формировании биоплёнок и прикреплении бактериальных клеток к поверхностям [72].

Образование внеклеточных структур бактериальной клетки обеспечивается бактериальными системами секреции. Они транспортируют белки из цитоплазмы в периплазматическое пространство или во внешнюю среду. Известно несколько типов бактериальных систем секреции, кроме того, бактериальные системы секреции нередко выступают в роли факторов вирулентности [73]. Представители нескольких родов грамположительных бактерий, таких как Bacillus , Clostridium , Sporohalobacter [en] , Anaerobacter [en] и Heliobacterium , образуют покоящиеся структуры, обладающие повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды и называемые эндоспорами [74].

Эндоспоры образуются в цитоплазме клетки, и, как правило, в одной клетке может сформироваться только одна эндоспора. Каждая эндоспора содержит ДНК и рибосомы, окружённые поверхностным слоем цитоплазмы, поверх которого залегает плотная многослойная оболочка, состоящая из пептидогликана и разнообразных белков [75]. Эндоспоры могут сохранять жизнеспособность в течение миллионов лет [77] [78] , и с их помощью бактерии могут оставаться живыми даже в условиях вакуума и космического излучения [79].

Некоторые бактерии, формирующие эндоспоры, патогенны. Так, сибирская язва развивается после вдыхания спор грамположительной бактерии Bacillus anthracis , а попадание эндоспор Clostridium tetani в глубокие открытые раны может привести к столбняку [80]. 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, донора электронов и источника углерода [83].

Как бактерии влияют на наше настроение

Константин Северинов: чему мы можем научиться у господствующей на Земле формы жизни. Окруженные со всех сторон бактериями, мы сидим в кафе Сколтеха, подкармливаем кофе с пирожными бактерий, проживающих в нашем теле, и говорим о бактериях, с каждым сказанным словом вдыхая и выдыхая их. Константин Северинов — один из тех ученых, кто, добившись международной известности, вернулся делать науку в Россию. Я точно знаю, что мне неинтересно: делать полезные вещи ради пользы. Кстати, я абсолютно убежден, что самые полезные приложения в биомедицине возникают не потому, что вы, например, решили победить рак и будете с ним бороться. Наука не боксерский матч.

Найдена самая древняя бактерия

Мир бактерий гораздо сложнее и разнообразнее, чем мы себе представляем. Мы живем на планете по соседству с ее крошечными обитателями и порой даже не догадываемся, что они незримо делают для нас каждый день. Сегодня ученые умеют использовать свойства бактерий на благо людей. Означает ли это, что мы смогли подчинить себе микробов и научились управлять ими? Видео телеканала Спецпроекты. Какая польза от микробов.

Планета бактерий

Саратов, г. Позднее была выделена еще группа протистов. Бактерии — древняя группа организмов. Результат жизнедеятельности бактерий сине-зеленых водорослей — это строматолиты. Они представляют собой слоистые каменные структуры, которые образовались в период археозоя, около 3,5 млрд. Такие структуры пропитанные солями бактериальные пленки образуются и сейчас, главным образом у побережья Австралии, Багамских островов, в Калифорнийском и Персидском заливах, однако они редки и не достигают крупных размеров, потому что ими питаются растительноядные организмы, например брюхоногие моллюски. В наши дни строматолиты растут в основном там, где эти растительноядные организмы отсутствуют из-за высокой солености воды. В древние времена, когда не было растительноядных организмов, строматолиты достигали больших размеров, сравнить их можно было бы с сегодняшними коралловыми рифами. В некоторых древних горных породах обнаружены крохотные обугленные сферы, которые также считаются остатками бактерий.

Например, лишь несколько видов бактерий способны достичь кишечного эпителия, покрытого сплошным слоем слизи рис.

Бактерии эпохи динозавров могли дожить до наших дней

Зимой года у Рики Ланнетти, успешного летнего футболиста, начался кашель, а затем тошнота. Через несколько дней мама Рики заставила сына обратиться к врачу. Все симптомы указывали на вирус гриппа, поэтому тот не прописал Рики антибиотики, ведь они убивают бактерии, а не вирусы. Но болезнь не проходила, и мать отвезла Рики в местную больницу - к этому моменту у юноши уже отказывали почки.

Человечеству известно не более одного процента из существующих микробов. Огромный неизученный мир обнаружили ученые, разыскивая новые антибиотики.

Люди отличаются умом, мыслями и чувствами. Собственно, это то, что делает нас людьми. Впрочем, сейчас формируется новая противоречивая концепция, согласно которой есть невидимая рука, которая меняет наш мозг. Это - бактерии кишечника. Ученые пытаются выяснить, как на наше физическое здоровье влияет микробиом - триллионы микробов, живущих на поверхности нашего тела и внутри организма. Этим крохотным созданиям теперь приписывают ответственность даже за такие состояния, как депрессия, аутизм и нейродегенеративная болезнь.

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: 6 мая 2020 г.#паразитоз #бактерии #вирусы

Комментариев: 1

  1. 19biznesmen54:

    шелушение, прыщи – да, скорее всего кишечник, слоятся ногти – недостаток кальция. в целом, я согласна с автором.