Бактерии
История открытия бактерий
Впервые бактерии были обнаружены в XVII в. благодаря изобретению увеличительных приборов.
Антони ван Левенгук
Голландский ученый Антони ван Левенгук (1632-1723) (Рис.1) впервые открыл мельчайшие живые существа, рассматривая под микроскопом разнообразные микропрепараты: стоячая вода, капли морской воды, перцовый настой и др. Первоначальные сведения о формах, объемах и движении бактерий Левенгук отправил в Лондонское королевское общество в 1683 году.
Луи Пастер
Благодаря открытию французского ученого Луи Пастера в 1870-1880 гг. (Рис.2), стало известно, что микроорганизмы вызывают порчу пищевых продуктов и вызывают заболевания человека. Кроме того Пастер доказал, что в процессе брожения вина, пива и прочих пищевых продуктов происходит выделение ядовитых веществ.
Открытия Луи Пастера внесли огромный вклад в развитие микробиологии. Для уничтожения микроорганизмов ученым была предложена технология однократного нагревания продуктов до 70°С, в частности всех молочных. Это технология получила название — пастеризация.
Микробиология (от греч. «микрос» — мельчайший, «логос» — учение) — наука о строении и свойствах мелких, не видимых невооруженным глазом живых организмов.
Клеточное строение и жизнедеятельность бактерий.
Бактерии (от греч. «бактерион» — палочка) одноклеточные безъядерные организмы.
Клеточное строение бактерии представлено клеточной мембраной, прочной клеточной стенкой и цитоплазмой (Рис.3).
Определенную форму, а также функции защиты и опоры для бактериальной клетки придает клеточная стенка.
В зависимости от строения клеточной стенки выделяют две группы бактерий:
- Грамположительные — имеют внутреннюю мембрану и более толстый слой пептидогликана (окрашиваются в синий или фиолетовый цвет по методу Г.Грама).
- Грамотрицательные — имеют три слоя: внутренняя мембрана, тонкий слой пептидогликана и наружная мембрана (окрашиваются в розовый или красный цвет) (Рис.4).
Клеточная стенка многих бактерий покрыта капсулой — особый слой, защищающий от высыхания (за счет нее некоторые цианобактерии могут жить в пустыне).
Цитоплазма включает в себя белки, жиры и кольцевую молекулу ДНК — нуклеоид (основное наследственное вещество бактерии). Оформленного ядра нет.
На поверхности бактерии имеются мелкие нитевидные выросты —пили, служащие для передачи наследственной информации между бактериями в ходе полового размножения (см.»размножение бактерий»), а также для прикрепления бактерии к субстрату, отвечаю за адаптацию клетки.
Передвижение бактериальной клетки обеспечивает один или несколько жгутиков.
Формы и цвет бактерий:
По форме бактерии подразделяют на три группы: шаровидные, палочковидные и извитые. Наиболее простыми считаются шаровидные, их называют кокками. (Рис.5)
Кокки могут группироваться попарно — диплококки; по 4 — тетракокки; по 8 и более — сарцины. Формы в виде виноградной грозди называют — стафилококки, в виде цепочки — стрептококки.
Большая часть бактерий обладает палочковидной формой, однако встречаются и в виде запятой — вибрионы, в виде спирали (латинская буква «S») — спириллы.
По цвету бактерии в основном бесцветны, однако есть и с пигментами (зеленые и пурпурные, способные к фотосинтезу).
Распространение и среда обитания бактерий
Наиболее благоприятная для бактерий влажная среда с температурой +10-40°С. Некоторые представители бактерий способны выдерживать высокие температуры горячих источников (около +100°С) и низких температур ледников. В экспериментах споры бактерий выдерживали холод в -200°С.
Бактерии распространены повсеместно. Больше всего их можно встретить в плодородном слое почты (чернозем). Меньше всего их в воздухе на высоте более 5 км. Очень много бактерий находится на покровах живых и мертвых организмов. Хемосинтезирующие бактерии обнаружены в почве на глубине 5 и более метров, а также на глубине до 1000 метров дна океанов.
Образование спор у бактерий
При недостатке питания, влаги, резком понижении или повышении температуры, бактерии способны образовывать споры. Это временная защитная форма бактерий, когда клетка не двигается и не питается, находясь в состоянии покоя долгое время (Рис.6).
Споры бактерий способны пролежать под землей до 20-30 лет. С помощью ветра споры разносятся на большие расстояния, а попав в благоприятные условия, «просыпаются», превращаясь в обычную клетку, способная вновь размножаться.
Цианобактерии
Именно цианобактерии стали одними из первых представителей живых организмов на Земле. Некоторые ископаемые останки цианобактерий имеют возраст превышающий 3 мдрд лет (Рис.7).
Второе название цианобактерий — синезеленые водоросли. У них отсутствует ядро, что объединяет их с бактериями, а возможность фотосинтезировать относит к водорослям. Именно благодаря фотосинтезу, они первыми обогатили атмосферу нашей планеты кислородом, что сделало ее пригодной для существования живых организмов.
Цианобактерии представлены как одноклеточными, так и многоклеточными формами.
Носток — съедобная синезеленая водоросль, употребляемая в пищу в разных странах (Китай, Монголия, Южная Америка) (Рис.8).
Питание бактерий
По способу питания (получения энергии) бактерии подразделяются на две основные группы:
- Автотрофные (от греч.»авто» — сам, «трофос» — пища) — фотосинтезирующие бактерии способные образовывать внутри себя основной источник питания — глюкозу самостоятельно, за счет энергии солнца, углекислого газа и воды (цианобактерии или синезеленые водоросли). Побочным продуктом такой реакции — кислород. Некоторые цианобактерии не способны выделять кислород, так как при фотосинтезе они не используют воду. К автотрофным бактериям так же относят и хемосинтезирующие формы, использующие энергию химических реакций (азотобактерии, железобактерии, серобактерии и др.).
- Гетеротрофные (от греч. «гетеро» — разный, иной) — питаются готовой органикой, поселяясь на питательной среде. В свою очередь эти бактерии подразделяются на паразитов и сапрофитов. Паразиты являются болезнетворными формами, которые питаются тканями своих хозяев, вызывая различные заболевания растений (бактериозы), животных и человека. Для сапрофитных бактерий характерно питание отмершими остатками или выделениями других живых организмов. Благодаря сапрофитным бактериям происходит процесс гниения и брожения. По сути сапрофиты — это санитары нашей планеты, разлагающие остатки пищи, трупы животных, экскременты, сухие листья, ветки и др.
Отношение бактерий к кислороду
По отношению к кислороду все бактерии, как и другие организмы, делятся на две большие группы:
1. Анаэробы — бактерии способные обходиться без кислорода полностью или частично.
Бактерии, которые могут жить как в присутствии кислорода, так и без него — называют факультативными (от фр. факультатиф — необязательный, возможный) анаэробами. К ним относят бактерии гниения или уксуснокислые бактерии.
Микроаэрофильные бактерии лучше растут в атмосфере с низким содержанием кислорода.
Бактерии, для которых кислород губителен, называют облигатными (от лат. облигатус — обязательный, непременный) анаэробами. К ним относят винные бактерии или бактерии ботулизма.
2. Аэробы — дышащие кислородом бактерии (синегнойные, лактобактерии и др.). Дыхание многих бактерий похоже на дыхание растений и животных. Они поглощают кислород воздуха и выделяют углекислый газ и энергию.
Отношение бактерий к азоту
Определенная часть бактерий способна обходиться без органического азота, входящего в состав белковой пищи, так как они самостоятельно могут его усваивать из атмосферы.
Благодаря такой группе азотфиксирующих бактерий, азот входящий в состав воздуха, усваивается растениями, далее через пищевую цепь он поступает в другие живые организмы, встраиваясь в органические соединения (белки и нуклеиновые кислоты). Подобные бактерии образуют симбиоз с корнями бобовых растений (клубеньковые бактерии).
Размножение бактерий
Размножаются бактерии простым поперечным делением клеток (перетяжкой). Цитоплазма клетки «перешнуровывается», и клетка делится пополам. Перед делением, наследственный материал бактерии, представленный кольцевой молекулой ДНК, удваивается (реплицируется). Репликация может происходит несколько раз, именно поэтому в клетке бактерии иногда встречается больше одного нуклеотида (Рис.9).
Темп деления бывает очень высоким. Процесс деления может следовать один за другим через 20-30 мин. При наступлении неблагоприятных условий, бактерии прекращают деление, теряя свою жизнеспособность, что приводит к их гибели или образовании споры.
Некоторые бактерии способны размножаться половым путем, по типу конъюгации. В данном случае происходит слияние двух бактериальных клеток. «Мужская» клетка отдает свою ДНК «женской» клетке и после этого погибает. ДНК двух клеток комбинируется, в результате чего получается новая генетически «уникальная» клетка.
Бактериальные заболевания
Болезнетворные (патогенные) бактерии — это паразитические представители, способные вызвать заболевания людей, животных и растений. Они являются причиной таких инфекционных заболевании, как чума, столбняк, туберкулез, тиф, холера, сибирская язва, скарлатина и др. (таблица 1).
| № | Болезнь | Пути заражения
(примечания) |
Меры профилактики |
| 1 | Ангина | Воздушно-капельный, через посуду и контакт с вещами больного | Марлевые повязки, влажная уборка с дезинфицирующими средствами и проветривание помещений, изоляция больных |
| 2 | Туберкулез | ||
| 3 | Конъюнктивит | Инфекционное заболевание глаз | Исключить засорение поверхности глаза во время пыльных бурь, работы с цементом, песком, опилками и т. д. |
| 4 | Холера | Через воду и немытые овощи и фрукты, загрязненную посуду и т. д. | При вспышках использовать только безопасную (кипяченую, стерилизованную или бутилированную) воду, мыть все овощи и фрукты водой, подкисленной уксусом или лимонной кислотой |
| 5 | Брюшной тиф | Использовать только безопасную воду, тщательно мыть все овощи и фрукты и т. д. | |
| 6 | Бруцеллез | От больных животных через молоко или мясо | Не употреблять непроверенное или непрожаренное мясо, нестерилизованные молочные продукты. Изготавливать айран, творог, курт и т. д. только из пастеризованного или кипяченого молока. |
| 7 | Сибирская язва | От больных животных | Не забивать животных на мясо без санкции ветврача |
| 8 | Ботулизм | Использование в пищу продуктов, зараженных анаэробной бактерией, живущей в почве | Не употреблять сомнительные консервы из овощей, грибов и рыбы, непотрошеную копченую рыбу |
| 9 | Столбняк | Заражение при порезах анаэробной бактерией, живущей в почве | Если при порезе был контакт с почвой, кроме обработки раны антисептиками нужно обязательно обратиться к врачу |
Таблица 1. Бактериальные заболевания, пути заражения и меры профилактики
После того как болезнетворные бактерии проникнут в организм человека, они начинают очень быстро размножаются. Бактерии выделяют ядовитые вещества (токсины), вызывающие отравление организма. Токсины разносятся кровью по всему телу вызывая серьезные последствия.
Организм человека наделен защитными функциями, которые позволяют многим людям долгие годы не прибегать к помощи врачей. Так, проникновению микробов в организм препятствует наша кожа. В носу микробов улавливают реснички и слизь. В ушах их задерживает ушная сера.
Слезная жидкость содержит небольшое количество солей и белки, которые помогают уничтожать болезнетворные организмы, оказавшиеся на поверхности глаза. Миндалины и аденоиды убивают микробов в горле, а соляная кислота в составе желудочного сока — в желудке.
Внутри организма с ними борются иммунные клетки крови.
Болезнетворные бактерии распространены в воде, воздухе, почве. Чем чище воздух в помещениях, тем меньше люди болеют. Необходимо ежедневно проветривать и дом, и классные комнаты.
Туберкулезные палочки вместе с пылью распространяются по воздуху. Они сохраняют жизнеспособность до 3 месяцев. Бактерии брюшного тифа сохраняются в почве тоже до 3 месяцев. Массовое поражение людей инфекционными заболеваниями называется эпидемией.
Туберкулез считается опасным инфекционным заболеванием. Передается он воздушно-капельным путем, поражая ткани легких (Рис 10).
При заболевании скота туберкулезом возбудители болезни могут передаваться человеку через молоко.
В 1882 г. немецкий микробиолог Р. Кох открыл возбудителя туберкулеза (палочка Коха), за что в 1905 был награжден Нобелевской премией.
Возбудителями тифа и сальмонеллеза человек заражается через продукты питания и воду.
Возбудителями дизентерии являются дизентерийные бактерии (а также одноклеточные животные — дизентерийные амебы). При употреблении сырого молока от больных коров человек может заразиться бруцеллезом.
Иногда при консервировании овощей, даже после их стерилизации при высоких температурах, могут сохраниться бактерии. В процессе развития они выделяют ядовитые вещества. Употребление таких продуктов вызывает у людей тяжелое отравление ботулизм.
Только благодаря интенсивному развитию медицины и микробиологии были найдены методы борьбы с микробами. Получены необходимые лекарства. Они убивают бактерий и очищают человеческий организм от болезнетворных микроорганизмов.
Так, при употреблении антибиотиков (пенициллин, ампициллин, бисептол) погибают многие бактерии. При простуде в человеческом организме также увеличивается количество болезнетворных бактерий. С помощью антибиотиков можно ускорить выздоровление.
К профилактическим мерам инфекционных заболеваний относится соблюдение правил гигиены. Например, следует употреблять только очищенную» кипяченую воду, мыть руки перед едой, держать одежду в чистоте, незамедлительно обрабатывать йодом или перекисью водорода пораненный участок кожи, не допускать порчи продуктов и др. Очень важно общее закаливание организма.
В сладкой, а также соленой среде бактерии не развиваются. Поэтому, заготавливая впрок мясо, рыбу и овощи, их солят, из ягод и фруктов делают варенье и др.
Растения также поражаются многими видами бактерий. Такие заболевания растений называют бактериозами. Они поражают корни, стебли, листья и плоды овощных, бахчевых, фруктово-ягодных и технических культур, нанося тем самым огромный вред.
Основными мерами борьбы с бактериозами являются обработка семян ядохимикатами перед посевом, отбор устойчивых к болезням сортов.
Ученые установили, что вещества, выделяемые листьями грецкого ореха, лоха, черемухи, тополя, сосны, уничтожают бактерий. Поэтому наряду с использованием этих деревьев в озеленении населенных пунктов их нужно садить и вблизи скотных дворов.
Значение бактерий в природе и жизни человека
Бактерии играют большую роль в круговороте веществ в природе. Бактерии гниения (сапрофиты) наряду с некоторыми растениями, животными и грибами санитары нашей планеты.
Они участвуют в разложении растительных остатков, мертвых тел и выделений животных, в образовании и почве перегноя.
Почвенные бактерии способствуют питанию растений. Они превращают перегной в минеральные вещества, которыми затем питаются растения. Бактерии не только обогащают почву минеральными веществами, но и улучшают ее структуру.
Чем плодороднее почва, тем больше в ней бактерий. В 1 г чернозема содержится 5-6 млрд бактерий. Почвенные бактерии оказывают влияние на рост и развитие растений. Многие бактерии развиваются на корнях растений и вблизи от них, воздействуя на жизнедеятельность растений.
Некоторые виды бактерий поглощают из воздуха азот и обогащают почву его соединениями. К ним относятся клубеньковые бактерии. Они живут в симбиозе с люцерной, горохом, донником, соей и другими бобовыми растениями. Другой вид бактерий выделяет азот в воздух.
Азот — основной компонент воздуха (78%). Он входит в состав всех живых организмов. На его основе строятся белки. Азот постоянно циркулирует между атмосферой и живыми организмами. Попав в почву, он преобразуется в нитраты, которые затем поглощаются растениями. Животные поедают растения и используют эти белки.
Вместе с отходами животных, а также в процессе разложения растений и животных после их смерти соединения азота возвращаются в почву. Внося удобрения, земледельцы повышают уровень содержания нитратов в почве, необходимый для роста растений.
Цианобактерии обогащают воздух молекулами кислорода, осуществляя фотосинтез. Образование в недрах земли селитры (азотное удобрение), железной руды, торфа и угля, я в море — сероводородов также связано с жизнедеятельностью бактерий. Тем самым бактерии, принимают участие в круговороте веществ, способствуют непрерывности жизни на Земле.
Велика роль бактерий и в народном хозяйстве. Их издавна использовали в хлебопечении, кожевенном производстве и т. д. Молочнокислые бактерии используются в сыродельном производстве, в молочной промышленности, при квашении овощей и фруктов, силосовании кормов.
Бактерии сбраживают углеводы. При этом образуется молочная кислота (например, при скисании молока, квашении капусты и др.), которая предотвращает порчу капусты и силоса. Одни бактерии обязательно необходимы для производства вина (винные), другие вызывают его порчу (уксусные).
В современной химической промышленности изучаются бактерии, разлагающие синтетические вещества. Уже найдены бактерии, разлагающие нейлон. Продолжаются поиски «пожирателей» полиэтилена, который в природе сохраняется в течение 500-700 лет.
Некоторые виды болезнетворных бактерий, наряду с вирусами и грибами, выращиваются на специальных питательных средах и применяются в качестве бактериологического оружия, что является преступлением против человечества.
Во многих странах в специальных водохранилищах выращивается цианобактерия спирулина для производства пищевого белка.
Тест: Бактерии
Инструкция: «Вам предлагаются задания с одним и несколькими правильными ответами из пяти и более предложенных».
Источники:
Биология 7 класс. К.Кайым, Р.Сатимбеков, А.Аметов,Ж.Кожантаева, Алматы «Атамұра», 2012г;
Биология: Справочные материалы, учебное пособие для учащихся; Д.И.Трайтак, Н.И.Клинковская, В.А.Карьенов, С.И.Балуев, Москва «Просвещение», 1983г.
Одноклеточные животные (Простейшие).
