Введение

Бактерии - широко распространённая в природе группа одноклеточных микроорганизмов с примитивной формой клеточной организации.

Интенсивное изучение биологических свойств бактерий и их роли в биосфере началось в середине 19 в., когда появились работы французского учёного Л. Пастера, немецкого учёного Р. Коха и английского учёного Д. Листера.

Большинство бактерий не имеют хлорофилла, то есть они не используют солнечную энергию в процессе обмена веществ, а получают энергию в результате химических превращений неорганических или органических соединений, имеющихся в среде их обитания. Бактерии широко распространены в природе: их находят в почве, в воде, в растениях, в организме человека и животных. Они могут существовать в самых разных условиях, часто неблагоприятных для жизни других организмов.

Бактерии играют огромную роль в формировании биосферы, в поддержании жизни на нашей планеты, участвуя в круговороте энергии и веществ в природе.

Среди бактерий имеется относительно небольшое количество видов, способных вызывать болезни человека, животных и растений. Потенциальная способность бактерий вызывать инфекционные заболевания называется болезнетворностью, или патогенностью.

Некоторые бактерии являются условно патогенными, так как их болезнетворность зависит от ряда условий, в первую очередь от сопротивляемости организма, в котором эти бактерии находятся.

Цель работы - раскрыть сущность вопроса, связанного с сущность и содержанием понятия бактерии.

1. Строение и жизнедеятельность бактерий

Бактерии гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных. Толщина их обычно составляет 0,5-2,0 мкм, а длина - 1,0-8,0 мкм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов (примерно 0,3 мкм), но известны и виды длиной более 10 мкм и шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий может превышать в длину 50 мкм. На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.

Строение. По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну - спириллы.

Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хромосомы - очень длинной кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной в одной точке к клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез. У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь - клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм - заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры - рибосомы, необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами. За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы - важные компоненты мембран эукариотической клетки.

Клетка бактерии

Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода. Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают. Жгутики бактерий устроены проще и несколько иначе, чем аналогичные структуры эукариот.

Сенсорные функции и поведение. Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких «вкусовых» рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной «вкусовой слепоте». Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды - на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка - Fe₃O₄). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды.

Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую интенсивность стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или изменяют его.

Размножение и генетика. Бактерии размножаются бесполым путем: ДНК в их клетке реплицируется (удваивается), клетка делится надвое, и каждая дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК. Бактериальная ДНК может передаваться и между неделящимися клетками. При этом их слияния (как у эукариот) не происходит, число особей не увеличивается, и обычно в другую клетку переносится лишь небольшая часть генома (полного набора генов), в отличие от «настоящего» полового процесса, при котором потомок получает по полному комплекту генов от каждого родителя.

Такой перенос ДНК может осуществляться тремя путями. При трансформации бактерия поглощает из окружающей среды «голую» ДНК, попавшую туда при разрушении других бактерий или сознательно «подсунутую» экспериментатором. Процесс называется трансформацией, поскольку на ранних стадиях его изучения основное внимание уделялось превращению (трансформации) таким путем безвредных организмов в вирулентные. Фрагменты ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии особыми вирусами - бактериофагами. Это называется трансдукцией. Известен также процесс, напоминающий оплодотворение и называемый конъюгацией: бактерии соединяются друг с другом временными трубчатыми выростами (копуляционными фимбриями), через которые ДНК переходит из «мужской» клетки в «женскую».

Иногда в бактерии присутствуют очень мелкие добавочные хромосомы - плазмиды, которые также могут переноситься от особи к особи. Если при этом плазмиды содержат гены, обусловливающие резистентность к антибиотикам, говорят об инфекционной резистентности. Она важна с медицинской точки зрения, поскольку может распространяться между различными видами и даже родами бактерий, в результате чего вся бактериальная флора, скажем кишечника, становится устойчивой к действию определенных лекарственных препаратов.[1]

2. Размножение бактерий

Большинство бактерий размножаются путём деления, которому предшествует рост бактерии, то есть увеличение массы её клетки. Обычно палочковидные бактерии в длину увеличиваются в двое, и после достижения ими определённого размера посередине клетки возникает поперечная перегородка, состоящая из цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Такой способ деления называется поперечным. Образовавшиеся дочерние клетки по своим свойствам полностью подобны материнской клетке, из которой они возникли.

Для того чтобы бактерии могли расти и размножатся, среда их обитания должна содержать необходимые источники углерода, азота, энергии, определённой солевой набор, иметь оптимальную температуру. Для большинства патогенных бактерий она равна 37.5.

В лабораторных условиях для выращивания бактерий используют искусственные субстраты, так называемые питательные среды. Скорость размножения бактерий в этих средах очень велика. Примерно каждые 20 минут бактерия делится, давая две дочерние клетки. Следовательно, из одной клетки, культивируемой в хорошей питательной среде, через 10 часов образуется 1 млрд. потомков. Если бы процесс размножения в питательной среде не был ограничен, то через 24 часа число потомков одной бактерии равнялось 105210 клеток, а их масса составила бы примерно 4000 тонн. В действительности же в питательной среде высокая скорость деления клеток наблюдается лишь небольшой период времени с момента внесения в неё бактерии. Это происходит потому, что очень быстро истощаются питательные вещества среды и в ней накапливаются продукты обмена, неблагоприятно действующие на бактерии. Скорость размножения патогенных бактерий в организме значительно меньше, чем в искусственной питательной среде.[2]

Основная положительная роль бактерий в природе заключается в минерализации органических остатков. Бактерии являются редуцентами и составляют конечное звено любой цепи питания. Они разлагают органические вещества до минеральных и таким образом обеспечивают круговорот веществ в биосфере. Особую функцию выполняют азотобактерии, ризобиум и бактерии других родов, способные фиксировать атмосферный азот и превращать его в соединения, доступные для растений. Благодаря этому почва обогащается азотом, вследствие чего повышается ее плодородие.

Отрицательную роль играют паразитические бактерии. Они являются возбудителями болезней растений (фитофтора), животных (бруцеллез) и человека (холера, чума, дизентерия, тиф и др.) и нередко вызывают их гибель.

3. Питание бактерий

По способу питания большинство бактерий гетеротрофы, использующие для питания готовые органические вещества, но бывают и автотрофы (образующие сами для себя органические вещества). Различают бактерии: сапротрофы, паразиты и симбионты. Питание салротрофов органическими веществами отмерших остатков растений и животных, разлагающимися органическими веществами. Симбиоз бактерий с другими организмами, например с бобовыми растениями: использование при этом клубеньковыми бактериями-симбионтами органических веществ бобового растения и в то же время обеспечение его соединениями азота. Поселение бактерий-паразитов на других организмах и использование при этом для питания их органических веществ. Активное передвижение многих бактерий благодаря форме тела и наличию одного или нескольких жгутиков. Образование бактериями спор, служащих не для размножения, а в качестве приспособления для переживания неблагоприятных условий. Сохранение бактериями в состоянии споры жизнеспособности в течение десятков лет. Размножение путем деления, в процессе которого из одной материнской клетки возникают две сходные с ней дочерние клетки. Высокая скорость размножения (способность дочерних клеток делиться уже через 30 минут). Быстрое увеличение численности бактерий, способствующее формированию приспособления их к жизни в изменившихся условиях среды.

В целом бактерии в процессе жизнедеятельности синтезируют различные аминокислоты, белки, органические кислоты, витамины, ферменты, нуклеотиды, ДНК. Они вызывают спиртовое, молочнокислое, маслянокисляное, уксуснокислое брожение. Бактерии используются в пищевой промышленности для получения уксусной кислоты, кисломолочных продуктов, сыра и т. д.

4. Физиология бактерий

По химическому составу бактерии не отличаются от клеток других организмов. Бактериальная клетка содержит 70-85% воды. Около 90% сухого остатка составляют высокомолекулярные соединения: нуклеиновые кислоты (10%),белки (40%), полисахариды (15%), пептидогликан (10%) и липиды (15%); остальные 10% приходятся на моносахара, аминокислоты, азотистые основания, неорганические соли и другие низкомолекулярные соединения. Во всех процессах жизнедеятельность бактерий, как и других организмов, участвуют многочисленные ферменты. Одни из них (эндоферменты) функционируют только внутри клетки, обеспечивая процессы синтеза, дыхания и тому подобное. Другие (экзоферменты) выделяются бактериями в окружающую среду. Необходимые бактериям высокомолекулярные соединения синтезируются из небольших молекул, проникающих в клетку через цитоплазматическую. мембрану Белки, полисахариды, липиды могут быть использованы бактерией как источник питания лишь после их расщепления экзоферментами - до аминокислот, моносахаров и др.

Для нормальной жизнедеятельности бактерия должна быть обеспечена источниками углерода и азота. Одни виды бактерий (афтотрофы) используют неорганический углерод, другие (гетеротрофы), в число которых входят и патогенные бактерии, используют органические соединения. Гетеротрофные бактерии в свою очередь разделяются на сапрофитов, питающихся органическими соединениями внешней среды, и паразитов, живущих за счёт другого организма.

Различные бактерии неодинаково относятся к наличию или отсутствию свободного кислорода. По этому признаку они делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Строгие аэробы, например синегнойная палочка, могут развиваться лишь при наличии свободного кислорода. Анаэробы, например возбудители газовой гангрены, столбняка, развиваются без доступа свободного кислорода, присутствие которого угнетает их жизнедеятельность. Наконец, факультативные анаэробы, например возбудители кишечных инфекций, развиваются как в кислородной, так и в бескислородной среде.

Аэробность или анаэробность бактерий обусловливается способом получения ими энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. Некоторые бактерии (фотосинтезирующие) способны, подобно растениям, использовать непосредственно энергию солнечного света. остальные (хемосинтезирующие) получают энергию в ходе различных химических реакций. Существуют бактерии (хемоафтотрофы), окисляющие неорганические вещества (аммиак, соединения серы и железа и др.). Но для большинства бактерий источником энергии служат превращения органических соединений: углеводов, белков, жиров и др. Аэробы используют реакции биологического окисления с участием свободного кислорода (дыхание), в результате которых органические соединения окисляются до углекислого газа и воды. Анаэробные получают энергию при расщеплении органических соединений без участия свободного кислорода. Такой процесс называется брожением. При брожении, кроме углекислого газа, образуются различные соединения, например спирты, ацетон и др. В процессе жизнедеятельности бактерии образуют биологически активные вещества - ферменты, антибиотики, пигменты, летучие ароматические соединения, токсины и др.[3]

5. Антибактериальные химиотерапевтические агенты

Химические соединения, используемые для дезинфекции, хотя и обладают высокой антибактериальной активностью, не могут из-за их токсичности применяться в лечебных целях. Для этого пригодны антибактериальные химиотерапевтические средства. Они способны убивать бактерий или угнетать их жизнедеятельность, не оказывая при определённых дозах токсического влияния на ткани или организм в целом, то есть действие их должно быть изобретательным, направленным против бактерии или другого микроорганизма.

Кроме химических соединений, мощными антибактериальными средствами

Являются антибиотики - химиотерапевтические препараты естественного происхождения, синтезируемые микроорганизмами. Теоретические основы химиотерапии и вопросы её практического использования при лечении инфекционных заболеваний были разработаны в начале века немецким учёным П. Эрлихом, который открыл органические соединения мышьяка, активные при лечении сифилиса. Однако долгие годы не удавалось найти химиотерапевтические средства для лечения для лечения бактериальных инфекций. Дальнейшее развитие химиотерапии связано с открытием сульфаниламидов. Применение сульфаниламидов не только обогатило медицину новыми по тому времени химиотерапевтическими средствами, но и вызвало к жизни новое направление поиска антибактериальных химиотерапевтических средств. Это направление возникло в результате изучения механизма действия сульфаниламидов на бактериальную клетку. Было установлено, что по химической структуре сульфаниламид подобен парааминобензойной кислоте - одному из важных промежуточных продуктов (метаболитов), участвующих в синтезе нуклеиновых кислот. Из-за химического подобия сульфаниламид действует как антиметаболит парааминобензойной кислоты: включаясь вместо неё в биохимические процессы, но, не заменяя её, сульфаниламид нарушает синтез нуклеиновых кислот в бактериальной клетке. Исходя из этих данных, было сформулировано положение, что среди антиметаболитов других биохимических процессов окажутся лечащие антибактериальные средства.

Однако проблема получения новых лекарственных средств против бактериальных инфекций, принцип действия которых основан на конкуренции метаболита с важным для клетки метаболитом, оказалось значительно сложней, чем предполагалось. Это связано с тем, что синтезированные антиметаболиты подавали обмен веществ не только у бактерий, но и в тканях организма. Таким образом, проблема свелась к поиску реакций обмена веществ, специфичных для бактерий и отсутствующих в клетках организма человека или животного.

Биохимические реакции, присущи лишь бактериям, были обнаружены в процессе синтеза клеточной стенки, в частности при образовании пептидогликана. Некоторые антибиотики (пенициллин, циклосерин) эффективные как антибактериальные средства, воздействуют на процесс формирования клеточной стенки, нарушая синтез пептидогликана, входящего в его состав, что приводит к лизису бактерий. Другие бактерии - тетрациклин, левомицетин, стрептомицин и другие - способны нарушать синтез белков в бактериальных клетках. Первым препаратом этой группы, нашедшим применение в клинике, был стрептомицин. Оказалось, что он способен изобретательно объединяться с рибосомами клеток организма хозяина. В результате «точность» рибосом бактерии в процессе синтеза белка нарушается, что приводит к «порче» синтезируемых белков и гибели бактерии. Неомицин, канамицин, левомицетин и эритромицин так же взаимодействуют с рибосомами бактериальной клетки. Тетрациклин нарушает присоединение информационной РНК к рибосомам. Лечащее действие упомянутых антибиотиков определяется их специфичностью, то есть относительно низкой способностью влиять на эти же процессы в клетках высших организмов.[4]

6. Устойчивость бактерий к факторам окружающей среды

На жизнедеятельность бактерий влияют температура, влажность, ультрафиолетовое излучение. К низким температурам бактерии устойчивы, некоторые выживают даже при -190.5, а споры при -253.5. К высоким температурам бактерии высокочувствительные. Не спорообразующие бактерии погибают при температуре 60-70.5, спорообразующие - при прогреве выше 100.5. Разные виды бактерий по-разному переносят высушивание: одни (например гонококки) очень быстро погибают, другие в этих же условиях выживают. Так, палочка дизентерии при высушивании остаётся жизнеспособной 7 суток, дифтерии - 30 суток, брюшного тифа - 70 суток, туберкулёза - 90 суток, споры бацилл сибирской язвы - до 10 лет. Бактерии чувствительны к ультрафиолетовому излучению и прямому солнечному свету.

7. Болезнетворность бактерий

Из огромного количества бактерий, обнаруженных в природе, лишь небольшое число видов являются патогенными. Болезнетворность бактерий определяется их способностью преодолевать защитные барьеры организма, внедрятся в его ткани и выделять токсические вещества. При ряде заболеваний (дифтерия, столбняк и др.) общее тяжёлое поражение организма не сопровождается распространением бактерийвозбудителей из места их первичного внедрения. Например, при дифтерии возбудитель обнаруживается в носоглотке и трахее, а поражёнными оказываются сердечная мышца, нервы, надпочечники. Изучение причины этого явления привело к заключению, что токсин, вырабатываемый возбудителем болезни, всасывается в кровь и транспортируется в разные органы и ткани. В питательной среде или в организме бактерия в период её активного роста выделяется в среду обитания токсин - экзотоксин. Кроме дифтерийной палочки, экзотоксины образуются возбудителями столбняка, газовой гангрены, одним из возбудителей дизентерии и др.

Экзотоксины представляют собой чувствительные к нагреванию белки с высоким молекулярным весом. Они очень ядовиты, способны отравить более 5 миллионов литров воды.

Действие токсинов как биологически активных веществ подобно действию ферментов, и некоторые экзотоксины в самом деле являются бактериальными ферментами, а другие могут взаимодействовать с ферментами клеток. Нейротоксин, синтезируемый дизентерийный бактерией, первично поражает мелкие сосуды головного и спинного мозга, что ведёт к нарушению функций центральной нервной системы. Холерный экзотоксин вызывает повышенную секрецию жидкости в тонкой кишке.

Важное практическое значение имеет установление факта, что под действием формальдегида, не влияющего на антигенность, экзотоксины теряют ядовитость. В результате токсин превращается токсоид, который применяют для иммунизации организма с целью создания в нём невосприимчивости к данному токсину.

Ряд бактерий (кишечные палочки, большинство возбудителей дизентерии, гонококки и др.) не синтезируют экзотоксины, и отравляющее действие этих бактерий на организм связано с эндотоксинами - сложными соединениями, в молекулу которых входят фосфолипид, полисахарид и белок.

Фактором болезнетворности некоторых бактерий (палочек сибирской язвы, чумы, коклюша и др.) оказалась капсула. Разрушение её путём обработками ферментов или другими соединениями, а также в результате соответствующих мутаций, приводящих к нарушению синтеза капсулы, резко снижает болезнь. Это выражается в том, что для развития смертельного заболевания у подопытного животного ему необходимо ввести во много тысяч раз больше бескапсульных бактерий, чем бактерий, имеющих капсулу. Капсула защищает бактерию от фагоцитоза, но механизм её защитного действия не совсем ясен. Предполагают, что электрический заряд поверхности капсулы препятствует возникновению физического контакта фагоцита с бактерией.

Кроме токсинов и капсулы, у некоторых бактерий обнаружены и другие факторы, определяющие их болезнетворность. К их числу относится фермент гиалуронидаза, продуцируемый гноеродным стрептококком и растворяющий основное вещество соединительной ткани - гиалуроновую кислоту, что облегчает распространения бактерий в тканях. Патогенные стафилококки синтезируют другой фермент - коагулазу, который, вероятно, является одним из факторов болезнетворности этих бактерий. Коагулаза действует подобно тромбину вызывая образование сетки фибрина вокруг стафилококка препятствует таким образом фагоцитозу.[5]

Заключение

Бактерии это доядерные простейшие микроорганизмы - прокариоты. Они имеют различную форму - шаровидную, палочковидную, спирали и т.д. Некоторые бактерии имеют жгутики, с помощью которых они движутся. Многие бактерии соединяются в цепочки, или группы, образуя огромные скопления в виде пленок.

Часть бактерий могут образовывать споры. Споры сохраняются очень долго в самых неблагоприятных условиях.

Бактерии, которые питаются органическими веществами отмерших организмов или выделениями живых организмов, называются сапрофитами. Бактерии, которые питаются органическими веществами живых организмов, называют паразитами. Среди бактерий-паразитов много болезнетворных.

Попадая в благоприятные для развития условия, бактерия делится, образуя две дочерние клетки; у некоторых бактерий деления повторяются через каждые 20 минут и возникают все новые и новые поколения бактерий. Чтобы уничтожить бактерии и споры, на них действуют паром при температуре 120 градусов Цельсия в течение 20 минут. Солнечные лучи тоже губительны для бактерий. Под прямыми солнечными лучами многие из них гибнут в течение 3 часов.

Деятельность бактерий разнообразна и имеет огромное значение в природе и жизни человека.

Клубеньковые бактерии усваивают азот из воздуха и обогащают почву веществами, содержащими азот. Бактерии гниения, питаясь органическими веществами мертвых тел, превращают погибшие растения и трупы животных в перегной. Большую пользу природе приносят сапрофильные почвенные бактерии. В одном кубическом сантиметре поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов почвенных бактерий. Эти бактерии превращают перегной в минеральные вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений. Бактерии используют в пищевой промышленности. Например, молочнокислые бактерии, питаясь сахаром, содержащимся в молоке, образуют молочную кислоту. Под ее воздействием молоко превращается в простоквашу, а сливки - в сметану. Квашение овощей, силосование кормов тоже происходит с помощью молочнокислых бактерий. Образовавшаяся молочная кислота предохраняет овощи и корма от разложения. Но многие бактерии причиняют вред. Они поселяются на продуктах питания и портят их. Есть бактерии, которые портят рыболовные сети, редчайшие рукописи и книги в книгохранилищах. Для предохранения книг от порчи их окуривают сернистым газом.

Некоторые виды бактерий проникают в организм человека и поселяются там, вызывая заболевания. Это болезнетворные бактерии. В теле человека болезнетворные бактерии питаются, быстро размножаются и отравляют организм продуктами своей жизнедеятельности. Болезнетворные бактерии вызывают различные заболевания. Одними из них человек заражается при общении с больными людьми, другими - при употреблении пищи или воды, в которую попали болезнетворные бактерии.

Список литературы

1.                     Казначеев В.П. Биология. - М.: Логос, 2003.

2.                     Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М.: ЮНИТИ, 2002.

3.                     Кашаков Р.Ш. Биология. - М., Просвещение, 2002.

4.                     Потеев М.И. Концепции современного естествознания. – СПб.: Питер, 2004.

5.                     Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2003.

[1] Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М.: ЮНИТИ, 2002. – С. 219

[2] Кашаков Р.Ш. Биология. - М., Просвещение, 2002. – С. 288

[3] Казначеев В.П. Биология. - М.: Логос, 2003. – С. 210

[4] Потеев М.И. Концепции современного естествознания. – СПб.: Питер, 2004. – С. 271

[5] Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. – С. 355