Бактерии. Общие сведения

Бактерии — одни из самых древних организмов на Земле. Предполагают, что бактерии появились около 3,5 млрд лет назад и были единственными живыми организмами на Земле около 1 млрд лет.

Бактерии имеют более примитивное строение, чем последующие появившиеся в процессе эволюции организмы. Однако между собой они не однородны по строению, есть как более простые, так и более сложные. Наиболее примитивные бактерии обитают в горячих серных источниках и бескислородном иле в водоемах.

Несмотря на простоту своего строения, бактерии живут во всех возможных средах обитания. Больше всего их насчитывается в почве (до нескольких миллиардов бактериальных клеток на 1 грамм почвы). Много бактерий в воздухе, воде, пищевых продуктах, внутри тел и на телах живых организмов.

На заре эволюции условия жизни на Земле зачастую были экстремальными. Современные бактерии обитают почти везде, даже там, где другие организмы жить не могут (на ледниках, в вулканах).

Самой главной особенностью бактериальной клетки является отсутствие клеточного ядра. Другими словами, бактерии принадлежат прокариотам. Их клетка намного меньше, чем клетка эукариот (у таких есть ядро).

Бактерии выделяют в отдельное царство живых организмов. По новой классификации ‒ в отдельное надцарство.

Обычно бактерия ‒ это одна клетка (хотя бывают колониальные формы). Причем эта клетка очень мелкая (от долей мкм до нескольких десятков мкм). При этом между собой клетки разных форм бактерий могут отличаться в среднем раз в 10. То есть разброс в их размерах достаточно большой. В общей сложности, чем меньше клетка, тем интенсивнее в ней идут процессы жизнедеятельности. А поскольку клетки бактерий меньше, чем клетки эукариот, то понятно, почему бактерии интенсивно размножаются и недолго живут.

Поскольку бактерии представляют собой очень мелкие клетки, они способны проникнуть в любое место. Их можно обнаружить даже в самых чистых воздухе и воде, они есть на больших глубинах под землей, в природных горячих источниках, на растениях, на теле и в теле животных. Бактерии живут на теле человека, в ротовой полости и кишечнике.

Бактерии отличаются по обмену веществ. Например, некоторым бактериям не нужен кислород, чтобы получать энергию, т. е. у них происходит бескислородное дыхание. Также некоторые бактерии могут сами синтезировать органические вещества (как растения), другие бактерии потребляют готовые органические вещества (как животные).

Бактерии бывают подвижными и неподвижными. В случае подвижных форм передвижение осуществляется с помощью жгутиков. Их может быть несколько, а может быть только один.

Клетки разных видов бактерий могут сильно отличаться между собой по форме. Бывают шаровидные бактерии (кокки), палочковидные (бациллы), похожие на запятую (вибрионы), извитые и спиралевидные (спирохеты, спириллы), образующие цепочку (стрептококки) и др. Грозди кокков называют стафилококками. Большинство бактерий палочковидные.

Бактерии играют важную роль в природе. Они разлагают погибших животных и отмершие части растений. Внутри организмов они помогают переваривать пищу.

Многие бактерии приводят к заболеваниям. Одни из них сами являются паразитами, другие — выделяют ядовитые продукты жизнедеятельности.

Строение бактериальной клетки

Обычно у клеток бактерий есть клеточная стенка, которая как и у растений проницаема в обе стороны: в клетку проходят питательные вещества, из клетки выходят продукты обмена. Однако есть важные отличия. Если у растений клеточная стенка состоит из целлюлозы, то химический состав стенок бактерий и структура самих клеточных стенок бывают разными. В клеточной стенке бактерий могут быть белки, жиры и углеводы. Также она может состоять из слоев сложного углевода.

Бактериальная клеточная стенка плотная и служит для защиты и опоры, придает бактерии форму.

Кроме этого, поверх клеточной стенки, то есть с внешней стороны, у бактерий может вырабатываться слизистая капсула, которая предохраняет бактерии от высыхания, выполняет защитную функцию. Толщина стенок капсулы может быть очень большой (превышать толщину самой бактерии), но не всегда.

Под клеточной стенкой находится цитоплазматическая мембрана.

У ряда бактерий на поверхности есть длинные жгутики (один или несколько), с помощью которых бактерии передвигаются. Также бывают короткие ворсинки, служащие в основном для прикрепления к субстрату и транспорта веществ внутрь клетки.

Цитоплазма бактериальных клеток достаточно густая, неподвижная, со слоистым строением. В отличие от растений у бактерий нет вакуолей, поэтому необходимые для синтеза соединения и запасные питательные вещества находятся прямо в цитоплазме.

В клетках бактерий нет не только оформленного ядра, но и хромосом, характерных для клеток эукариот. В состав хромосом эукариот входит ДНК и белок. Однако у бактерий хромосома состоит только из ДНК и представляет собой кольцевую молекулу (замкнута в кольцо). Такой генетический аппарат называется нуклеоид. Он находится прямо в цитоплазме, обычно в центре клетки. Обычно у бактерий только одна хромосома.

У бактерий нет настоящих митохондрий и ряда других клеточных органелл (комплекса Гольджи, эндоплазматической сети, хлоропластов). Их функции выполняют своеобразные впячивания клеточной цитоплазматической мембраны во внутрь. Такие впячивания называются мезосомами. Считается, что на заре эволюции хлоропласты и митохондрии эукариотических клеток образовались из клеток бактерий, которые были поглощены будущими эукариотами, но не переварены ими.

В цитоплазме есть рибосомы, а также различные органические включения: белки, углеводы (гликоген), жиры. Также клетки бактерий могут содержать различные пигменты. В зависимости от наличия тех или иных пигментов или их отсутствия, бактерии могут быть бесцветными, зелеными, пурпурными.

Питание бактерий

Питание — это способ получения клеткой или организмом необходимых органических веществ. Их можно получить извне или синтезировать самостоятельно из неорганических веществ.

Бактерии возникли на заре формирования жизни на Земле. Именно они "открыли" различные способы питания. Лишь потом, с усложнением организмов, четко выделились два крупных царства: Растения и Животные. Они отличаются между собой в первую очередь по способу питания. Растения являются автотрофами, а животные — гетеротрофами. У бактерий же встречаются оба типа питания.

Причем каждый способ имеет несколько своих разновидностей. На заре появления и развития жизни на Земле природа как бы "пробовала", "искала" возможные способы питания организмов. И "находила" более эффективные, которые в дальнейшем давали развитие более сложным организмам.

Несмотря на то, что среди бактерий есть как автотрофы, так и гетеротрофы, однако гетеротрофных бактерий существенно больше.

Автотрофные бактерии

Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. Процесс синтеза требует энергии. В зависимости от того, откуда автотрофные бактерии получают эту энергию их делят на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.

Фотосинтезирующие бактерии используют энергию Солнца, улавливая его излучение. В этом они сходны с растениями. Однако, если у растений в процессе фотосинтеза выделяется кислород, то у большинства фотосинтезирующих бактерий он не выделяется. То есть бактериальный фотосинтез анаэробен. Также зеленый пигмент бактерий отличается от аналогичного пигмента растений и называется бактериохлорофилл. У бактерий нет хлоропластов. В основном фотосинтезирующие бактерии обитают в водоемах (пресных и соленых).

Одними из представителей автотрофных бактерий являются цианобактерии. Их еще называют сине-зелеными водорослями. Однако это всё же бактерии, а не растения, так как их клетки не имеют ядер. А водорослями их называют из-за того, что они образуют органические вещества из неорганических как растения, то есть с помощью процесса фотосинтеза. В процессе фотосинтеза образуется не только органическое вещество, но и выделяется кислород. Когда на Земле только появилась жизнь, в атмосфере кислорода почти не было. По этой причине дыхание у организмов было бескислородное. Оно не эффективно. И это тормозило развитие жизни. Появление фотосинтеза у цианобактерий и выделение ими кислорода способствовало тому, что в атмосфере начал накапливаться кислород. В дальнейшем появилось эффективное кислородное дыхание, и эволюция жизни на Земле ускорилась.

Хемосинтезирующие бактерии для синтеза органических веществ из неорганических используют энергию различных химических реакций (происходит окисление других неорганических веществ). Энергия выделяется не во всех реакциях, а только в экзотермических. Некоторые такие реакции протекают в бактериальных клетках. Так в нитрифицирующих бактериях протекает реакция окисления аммиака в нитриты и нитраты. Железобактерии окисляют закисное железо в окисное. Водородные бактерии окисляют молекулы водорода.

Гетеротрофные бактерии

Гетеротрофные бактерии не способны синтезировать органические вещества из неорганических. Поэтому вынуждены получать их из окружающей среды.

Бактерии, которые питаются гетеротрофно, также бывают разными. Можно выделить бактерий-сапрофитов, бактерий-паразитов и бактерий-симбионтов.

Бактерии, питающиеся органическими остатками других организмов (в том числе мертвыми телами), называются бактериями-сапрофитами. По-другому их называют бактериями гниения. Они выделяют в органические вещества ферменты, которые их растворяют, после чего бактерии всасывают и переваривают растворенную органику. Таких бактерий много в почве, где они разлагают перегной до неорганических веществ, которые впоследствии используются растениями. Молочнокислые бактерии питаются сахарами, превращая их в молочную кислоту. Маслянокислые бактерии разлагают органические кислоты, углеводы, спирты до масляной кислоты.

Сапрофиты питаются за счет отмерших частей растений, погибших организмов. Они не наносят вред живым организмам. Наоборот, они приносят пользу природе, разлагая органические вещества до неорганических, которые становятся доступны растениям. Другими словами, бактерии-сапрофиты принимают активное участие в круговороте веществ в природе, что является важным для существования жизни на Земле.

Клубеньковые бактерии живут в корнях бобовых растений и питаются за счет органических веществ живого растения. Однако они связывают азот из воздуха в органические вещества и обеспечивают им растение. То есть в данном случае имеет место симбиоз. Другие гетеротрофные бактерии-симбионты обитают в пищеварительном аппарате животных, помогая переваривать пищу, а также вырабатывают некоторые витамины.

Существует много бактерий-паразитов. Такие бактерии живут в других живых организмах, питаются за их счет и наносят вред организму-хозяину. Именно бактерии-паразиты приводят к многим болезням животных (в том числе человека) и растений. Они могут наносить серьезный вред сельскому хозяйству.

В растения бактерии могут проникать через повреждения их покровов, они способны заражать все органы растения и семена. Болезнетворные бактерии могут переносить разные насекомые, птицы и животные.

У человека заболеваниями, которые вызываются бактериями, являются дизентерия, ангина, туберкулез и многие другие.

Дыхание бактерий

В процессе дыхания происходит разрушение органических веществ с высвобождением энергии. Эта энергия в последствии тратится на различные процессы жизнедеятельности (например, на движение).

Эффективным способом получения энергии является кислородное дыхание. Однако некоторые бактерии могут получать энергию без кислорода. Таким образом, существуют аэробные и анаэробные бактерии.

Аэробным бактериям необходим кислород, поэтому они обитают в местах, где он есть. Кислород участвует в реакции окисления органических веществ до углекислого газа и воды. В процессе такого дыхания бактерии получают относительно большое количество энергии. Такой способ дыхания характерен для подавляющего числа организмов.

Анаэробные бактерии не нуждаются в кислороде для дыхания, поэтому могут обитать в бескислородной среде. Энергию они получают за счет реакции брожения. Данный способ окисления малоэффективен.

Размножение бактерий

В большинстве случаев для бактерий характерно размножение путем деления их клетки надвое. Перед этим происходит удвоение кольцевой молекулы ДНК. Каждая дочерняя клетка получает одну из этих молекул и, следовательно, является генетической копией материнской клетки (клоном). Таким образом, для бактерий характерно бесполое размножение.

После деления дочерние клетки вырастают и снова делятся. По скорости своего размножения бактерии превосходят все другие организмы. В благоприятных условиях (при достаточном количестве питательных веществ и в оптимальных условиях окружающей среды) бактерии могут делится каждые 20 мин, образуя огромные по численности колонии. Так от одной бактерии за сутки могут образоваться сотни миллионов клеток.

Хотя бактерии размножаются бесполым путем, в ряде случаев у них наблюдается так называемый половой процесс, который протекает в форме конъюгации. При конъюгации две разные бактериальные клетки сближаются, между их цитоплазмами устанавливается связь. Части ДНК одной клетки переходят во вторую, а части ДНК второй клетки - в первую. Таким образом, при половом процессе у бактерий происходит обмен генетической информации. Иногда при этом бактерии обмениваются не участками ДНК, а целыми молекулами ДНК.