Бактерии, которые живут в почве

Бактерии как группа одноклеточных микрооганизмов

Бактерии – широко распространенная 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 ученого Л. Пастера, немецкого ученого Р. Коха и английского ученого 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 и 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 планете, 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.

Из работы Г. Шлигеля мы узнаем о строении бактерий. Автор отмечает, что многие из них содержат капсулы и слизистые слои – это слизистые или клейкие выделения некоторых бактерий; такие выделения хорошо видны после негативного контрастирования (когда окрашивают не препарат, а фон). Капсула представляет собой относительно толстое и компактное образование, а слизистый слой намного рыхлее. В некоторых случаях слизь служит для формирования колоний из отдельных клеток. И капсула, и слизистые слои являются дополнительной защитой для клеток. Так, например, инкапсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме человека и вызывают воспаление легких, а некапсулированные штампы пневмококков легко атакуются и уничтожаются фагоцитами и поэтому совершенно безвредны [Шлигель 1987: 152-155].

Многие бактерии имеют жгутики.

Подвижность этих бактерий обусловлена наличием одного или нескольких жгутиков. Жгутики у бактерий устроены гораздо проще, чем у эукариотов, и по своей структуре напоминают одну из трубочек эукариотического жгутика.

Подвижные бактерии могут передвигаться в ответ на определенные раздражители, то есть они способны к таксису. Так, например, аэробные бактерии обладают положительным аэротаксисом (то есть плывут туда, где среда богаче кислородом), а подвижные фотосинтезирующие бактерии – положительным фототаксисом (то есть плывут к свету).

Бактерии покрыты полупроницаемой мембраной. В исследовании М.А. Козлова сказано, что структура и функции плазматической мембраны бактерий не отличаются от мембран эукариотических клеток. У некоторых бактерий плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки и образует мезосомы и (или) фотосинтетические мембраны. Мезосомы – складчатые мембранные структуры, на поверхности которых находятся ферменты, участвующие в процессе дыхания. Следовательно, мезосомы можно назвать примитивными органеллами. Во время клеточного деления мезосомы связываются с ДНК, что, по-видимому, облегчает разделение двух дочерних молекул ДНК после репликации и способствует образованию перегородки между дочерними клетками. У фотосинтезирующих бактерий и мешковидных, трубчатых или пластинчатых впячиваниях плазматической мембраны находятся фотосинтетические пигменты (в том числе бактериохлорофилл). Сходные мембранные образования участвуют в фиксации азота [Козлов 1980: 37-45].

Размножение бактерий

Большинство бактерий размножаются путем деления, которому предшествует рост бактерии, то есть увеличение массы ее клетки. Обычно палочковидные бактерии в длину увеличиваются вдвое, и после достижения ими определенного 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 размножаются, среда их обитания должна содержать необходимые источники углерода, азота, энергии, определенной 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 105 210 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 бактерий. 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.

Физиология бактерий

М.А. Козлов отмечает, что 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 жизнедеятельности 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. [там же: 51-60].

Для нормальной жизнедеятельности бактерия должна быть обеспечена источниками углерода и азота. Один вид 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 безкислородной 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.

Устойчивость бактерий к факторам окружающей среды

И.Ю. Павлов указывает, что на жизнедеятельность бактерий влияют температура, влажность, ультрафиолетовое излучение. К низким температурам бактерии устойчивы, некоторые выживают 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 [Павлов 2005: 209-230].