Жизненный цикл бактерии кратко

Обновлено: 02.07.2024

Бактерии могут обитать практически в любой среде, годной для питания: воздух, вода, почва, другие организмы, в том числе и человек. Считается, что больше всего бактерий обитает в верхних слоях почвы.

Строение

Бактерии состоят из одной клетки. Они имеют простейшее строение: мембрана, наполненная цитоплазмой. Особенность их строения — отсутствие ядра, митохондрий и пластид. Генетическая информация содержится в молекулах ДНК, составляющих около 1 мм в развернутом виде. У отдельных видов есть специальные гранулы для запаса питательных веществ и поддержания жизнедеятельности, газовые вакуоли, улучшающие способность передвигаться в жидкой среде.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Как правило, у бактерии есть внешние отростки — усики, с помощью которых они могут двигаться. Некоторые бактерии могут объединяться в пары, цепочки или скопления.

Если на одну чашу весов поставить вес, равный массе всех бактерий на Земле, а на другую — вес, равный массе всех животных и растений, бактерии перевесят.

Размножение

Основной способ размножения бактерий — деление клеток. Но для его осуществления необходимо, чтобы соблюдались определенные условия. Для разных видов бактерий они различаются. Одни погибают при кипячении, другие могут размножаться даже в кислотной среде. В идеальных условиях бактерии способны увеличить свою популяцию до 34 трлн особей.

Существует несколько факторов, влияющих на размножение бактерий:

солнечный свет;
наличие воды;
температура окружающей среды;
кислород;
уровень кислотности/щелочности среды.

При наличии благоприятных факторов, бактерии начинают активно размножаться. При их отсутствии — впадают в спячку или погибают.

Способы размножения

Бинарное деление

Когда бактерия достигает определенного размера, она начинает делиться. Вначале происходит репликация (деление) ДНК, затем разделение цитоплазмы. На последнем этапе происходит образование новой клеточной стенки. Процесс деления бактерий в благоприятных условиях очень интенсивный — каждые 20-30 мин. у одной клетки. Это обусловлено тем, что большое число клеток очень быстро погибает под воздействием различных факторов.

Почкование (вегетативное размножение)

Множественное деление

Представляет собой бинарное деление клеток внутри материнского организма. Число таких клеток варьируется от 4 до 1000. Все они проходят последовательное деление, затем оболочка разрывается, и новые клетки выходят.

Размножение спорами

Если бактерия попадает в негативные условия, она может перейти в особое состояние, в котором может находиться очень долго (более ста лет). Спора созревает внутри клетки и занимает в ней особое положение. Затем материнская клетка отмирает, а спора покрывается особой оболочкой, более устойчивой к температурным воздействиям, влиянию различных ферментов и другим условиям, гибельным для обычной клетки.

Когда наступает благоприятный момент, из споры прорастает полноценная особь. Начинается обратный процесс: разрушение устойчивой оболочки, наполнение клетки водой, появляется способность делиться.

Устойчивость спор патогенных бактерий объясняет долгое сохранение инфекционных заболеваний, опасных для человека.

Фрагментация клеток

Во время фрагментации происходит деление материнской клетки, а затем регенерация отдельных частей до полноценной бактерии.

Половой метод

Некоторые виды бактерий могут размножаться путем конъюгации — обмена генетической информации между двумя клетками. Предметом передачи являются плазмиды, содержащие гены устойчивости в неблагоприятных условиях.

Половым методом размножаются многие виды бактерий, опасных для человека. Таким способом, например, бактерии способны формировать устойчивость к антибиотикам.

Трансформация

По сравнению с другими способами размножения трансформация встречается реже. Во время нее отдельный фрагмент ДНК встраивается в стороннюю клетку и обменивается с ней информацией. Примечательно, что это явление происходит без участия вирусов.

Трансдукция

Среда для размножения

Бактерии размножаются как в жидкой, так и в плотной питательных средах. Размножение бактерий неизменно ведет к истощению питательной среды и отмиранию значительной части микроорганизмов.

Размножение в жидкой среде может быть нескольких видов:

придонным;
диффузным;
поверхностным.

Размножение в плотной питательной среде характеризуется ростом колоний различных форм и оттенков. Окрашивание питательной среды в определенный цвет зависит от пигментации бактерий.

Царство Бактерии иди Дробянки объединяет солидную группу микроорганизмов. Их связывают некоторые общие черты, но есть и отличительные особенности: процессы жизнедеятельности, образ жизни и нюансы строения. Маленькие живые организмы, несмотря на простую организацию, доставляют человеку много хлопот, вызывая болезни, против которых ежегодно создаются сотни новых препаратов.

Царство Бактерии, строение, жизнедеятельность, размножение, роль в природе

Рис. 1 Одна из разновидностей бактерии

Бактерии образуют три подцарства:

Архебактерии;
Настоящие бактерии (эубактерии);
Цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

Архебактерии представляют собой одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, а также каких-либо мембранных органелл, со свойственным им биохимическим составом и физиологическими особенностями (образованы 40 видами). Многочисленная группа – это эубактерии, которые характеризуются общим строением.

Бактерии открыл Антони ванн Левенгук, который с помощью оптического микроскопа увидел и описал удивительные мелкие организмы. Это событие произошло в 17 веке. А в 19 веке Луи Пастер выяснил, что микробы подразделяются на полезные и вредные. Дальнейшее развитие микробиологии стало возможно благодаря трудам Роберта Коха.

Характерные внешние черты бактерий

Отличительные внешние черты бактериальных микроорганизмов состоят в следующем:

Органоиды

Строение и функции

Оболочка

Состоит из двух слоев: мембраны и клеточной стенки из муреина. Некоторые формируют третий слой – слизистую капсулу.

Цитоплазма

Объединяет органоиды и обеспечивает приток питательных веществ.

Ядерное вещество

Одноцепочечная кольцевая ДНК. Она не всегда присутствует в одном экземпляре. В клетку способны встраиваться плазмиды – дополнительные маленькие кольцевые молекулы ДНК.

Рибосомы

Обеспечивают синтез белковых молекул.

Клеточные включения

Дополнительный источник питания: крахмал, гликоген, жиры, гранулы волютина.

Жгутик

Сформирован как вырост одноклеточной оболочки и позволяет клетке перемещаться в пространстве. Бактерия формирует от 1 до 1000 жгутиков (в зависимости от конкретного вида). Жгутики подразделяются на одиночные, расположенные в виде пучка или равномерно распределенные по поверхности. Иногда образуются ворсинки – приспособление для прикрепления к субстрату.

На заметку:Бактерии относятся к прокариотам (доядерным организмам). Они устроены просто и уступают по уровню развития клеткам эукариот. Несмотря на примитивное строение, они отлично приспособлены к жизни во внешней среде и вольготно чувствуют себя в организме человека.

Форма простейших микроорганизмов

Бактерии в зависимости от вида различаются формой и размерами.

Различие бактерий по типу питания

Живой мир приспособился получать энергию тремя способами. Их освоили простейшие микроорганизмы: это процессы дыхания, брожения и фотосинтеза. Но в эти химические превращения они включают некоторые соединения, недоступные для других видов организмов

По способу питания бактерии разделяют на две группы:

Гетеротрофы— они не способны синтезировать органическое вещество, а питаются готовым.
Автотрофы — способны синтезировать органические вещества из неорганических.
- сапрофиты — бактерии, которые питаются органическими веществами отмерших организмов (молочно-кислые бактерии, бактерии гниения);
- паразиты — бактерии, которые питаются органическими веществами живых организмов (менингококки, гонококки);
- симбионты — тесное сожительство бактерий с живыми организмами, приносящие пользу друг другу (клубеньковые бактерии на корнях бобовых).

Гетеротрофы окисляют органику для построения тела двумя основными способами:

при участии кислорода в процессе дыхания;
в результате брожения без доступа кислорода (анаэробные условия).

Благодаря микроорганизмам происходит спиртовое, молочнокислое, масляное и другие виды брожений. Спирты и органические кислоты, метанобразующие микроорганизмы превращают в метан и углекислоту.

Значение в природе

Большинство бактерий задействовано в круговороте веществ. В цепи питания играют роль редуцентов, разлагающих продуты жизнедеятельности других организмов, поэтому в основной своей массе они содержатся в почве. На 1 г почвы приходится до 200-500 млн. бактерий гниения. Это группы азотфиксирующих, нитрифицирующих, серобактерий и других микроорганизмов.

На заметку:Хищные бактерии, способные бороться с болезнетворными формами, помогают найти выход из сложившейся ситуации. Современные болезнетворные бактерии устойчивы к линии антибиотиков, что делает их неуязвимыми и опасными паразитами. Биохимики не успевают разрабатывать лекарства против вновь возникающих опасных штаммов.

Пути размножения

Микроорганизмы этого царства способны к делению следующими способами.

Деление пополам или удвоение, которое может повторяться неоднократно и привести к образованию до 1000 и более особей за короткий промежуток времени.
Почкование – это способность отделения части материнской клетки с цитоплазмой и органоидами.
Споры – бактериальные клетки, покрытые плотной оболочкой. Образуются из материнской клетки в больших количествах. В таком виде существуют в окружающей среде продолжительно, так как защищены плотной оболочкой от внешних неблагоприятных условий: кипячения, УФ-лучей; радиации, ультразвукового воздействия.

Несмотря на бесполое размножение бактерии способны к изменчивости. Это связано не только с мутациями (перестройкой ДНК по определенным причинам), но и с процессом конъюгации, когда клетки обмениваются участками и даже целыми хромосомами. Иногда они поглощают ДНК, найденное во внешней среде.

К сведению:Размер клеток бактерий уступает клеткам других организмов. Это мелкие живые существа от 0,5 до 10 мкм (1 мкм=1/1000мм) и за счет небольших параметров отличаются высокой скоростью деления. При наличии питательного субстрата они размножаются каждые 15-20 мин. Процессы метаболизма в маленьких клетках происходят быстрее.

Бактерии – возбудители заболеваний

К вызывающим заболевания или патогенным бактериям относятся паразитические разновидности. Среди шаровидных бактерий известны болезнетворные кокки:

Стафилококки, которые образуют скопления, похожие на виноградные гроздья. Среди них наиболее опасен золотистый стафилококк – источник гнойных воспалений и пищевых отравлений.
Стрептококки представляют собой цепочку клеток, которая сохраняется после деления. Вызывают серьезные воспалительные инфекции: ангину, отит, эндокардит и другие.

Бактерии в форме палочек образуют бациллы, окруженные плотной оболочкой. Способны вызывать ряд опасных заболеваний: сибирскую язву, дифтерию, ботулизм, столбняк, сальмонеллез. Микробы в форме спирали в большинстве безопасны. Известны также условно-патогенные микробы, которые живут в организме человека и никак себя не проявляют до тех пор, пока не ослабнут иммунные, защитные силы организма. С этого момента они становятся источником реальной опасности.

К сведению:Человеческий организм представляет собой вместилище для всевозможных видов бактерий: патогенных, условно-патогенных и симбионтов, которые помогают вытеснить колонии вредных микробов, участвуют в переваривании углеводов и синтезе витаминов.

Профилактика заболеваний, вызываемых бактериями

Бактерии населяют окружающий мир и избежать контакта с ними невозможно. Но свести к минимуму их внедрение в организм реально при соблюдении ряда профилактических правил:

Бактерии — это очень простая форма растительной жизни, которая состоит из одной живой клетки. Размножение осуществляется делением клетки. При достижении стадии зрелости бактерия делится на две равные клетки. В свою очередь каждая из этих клеток достигает зрелости и также делится на две равные клетки. В идеальных условиях бактерия достигает состояния зрелости и размножается менее чем за 20-30 минут. При такой скорости размножения одна бактерия теоретически может произвести 34 триллиона потомков за 24 часа! К счастью, жизненный цикл бактерий относительно короток и продолжается от нескольких минут до нескольких часов. Поэтому даже в идеальных условиях они не могут размножаться с такой скоростью.

Скорость роста и размножения бактерий и других микроорганизмов зависит от условий окружающей среды. Температура, свет, наличие кислорода, влажность и рН-фактор (уровень кислотности или щелочности) наряду с наличием питания влияют на скорость развития бактерий. Из них особый интерес у техников и инженеров холодильного оборудования вызывает температура. Для каждой разновидности бактерий существует минимальная температура, при которой они могут развиваться. При температуре ниже данного порога бактерии впадают в спячку и не способны к воспроизводству. Точно так же для каждой разновидности бактерий существует порог максимальной температуры. При температуре выше этого предела бактерии разрушаются. Между этими пределами находится оптимальная температура, при которой бактерии размножаются с максимальной скоростью. Оптимальная температура для большинства бактерий, которые питаются пометом животных и мертвой тканью животных и растений (сапрофиты), от 24 до 30°С. Оптимальная температура для большинства бактерий, которые являются причиной инфекций и болезней носителя (патогенные бактерии), около 38°С. В большинстве случаев можно значительно снизить скорость размножения бактерий, если понизить температуру окружающей среды. Наконец, существует несколько разновидностей бактерий, которые лучше всего чувствуют себя при температуре кипения воды, в то время как другие — при температуре ее замерзания.

Дополнение к изложенному выше

Происхождение, эволюция, место в развитии жизни на Земле

Бактерии наряду с археями были одними из первых живых организмов на Земле, появившись около 3,9—3,5 млрд лет назад. Эволюционные взаимоотношения между этими группами ещё до конца не изучены, есть как минимум три основные гипотезы[6]: Н. Пэйс предполагает наличие у них общего предка протобактерии, Заварзин считает архей тупиковой ветвью эволюции эубактерий, освоившей экстремальные местообитания; наконец, по третьей гипотезе археи — первые живые организмы, от которых произошли бактерии.

Эукариоты возникли в результате симбиогенеза из бактериальных клеток намного позже: около 1,9—1,3 млрд лет назад. Для эволюции бактерий характерен ярко выраженный физиолого-биохимический уклон: при относительной бедности жизненных форм и примитивном строении, они освоили практически все известные сейчас биохимические процессы. Прокариотная биосфера имела уже все существующие сейчас пути трансформации вещества. Эукариоты, внедрившись в неё, изменили лишь количественные аспекты их функционирования, но не качественные, на многих этапах циклов элементов бактерии по-прежнему сохраняют монопольное положение.

Одними из древнейших бактерий являются цианобактерии. В породах, образованных 3,5 млрд лет назад, обнаружены продукты их жизнедеятельности — строматолиты, бесспорные свидетельства существования цианобактерий относятся ко времени 2,2—2,0 млрд лет назад. Благодаря ним в атмосфере начал накапливаться кислород, который 2 млрд лет назад достиг концентраций, достаточных для начала аэробного дыхания. К этому времени относятся образования, свойственные облигатно аэробной Metallogenium.

Появление кислорода в атмосфере нанесло серьёзный удар по анаэробным бактериям. Они либо вымирают, либо уходят в локально сохранившиеся бескислородные зоны. Общее видовое разнообразие бактерий в это время сокращается.

Предполагается, что из-за отсутствия полового процесса, эволюция бактерий идёт по совершенно иному механизму, нежели у эукариот[6]. Постоянный горизонтальный перенос генов приводит к неоднозначностям в картине эволюционных связей, эволюция протекает крайне медленно (а, возможно, с появлением эукариот и вовсе прекратилась), зато в изменяющихся условиях происходит быстрое перераспределение генов между клетками при неизменном общем генетическом пуле.

Строение

Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть округлыми (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады), извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты), реже — звёздчатыми, тетраэдрическими, кубическими, C- или O-образными. Формой определяются такие способности бактерий, как прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ. Отмечено, например, что олиготрофы, то есть бактерии, живущие при низком содержании питательных веществ в среде, стремятся увеличить отношение поверхности к объёму, например, с помощью образования выростов (т. н. простек).

нуклеоид
рибосомы
цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

Строение протопласта

ЦПМ ограничивает содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды. Гомогенная фракция цитоплазмы, содержащая набор растворимых РНК, белков, продуктов и субстратов метаболических реакций, названа цитозолем. Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами.

Одним из основных отличий клетки бактерий от клетки эукариот является отсутствие ядерной мембраны и, строго говоря, отсутствие вообще внутрицитоплазматических мембран, не являющихся производными ЦПМ. Однако у разных групп прокариот (особенно часто у грамположительных бактерий) имеются локальные впячивания ЦПМ — мезосомы, выполняющие в клетке разнообразные функции и разделяющие её на функционально различные части. У многих фотосинтезирующих бактерий существует развитая сеть производных от ЦПМ фотосинтетических мембран. У пурпурных бактерий они сохранили связь с ЦПМ, легко обнаруживаемую на срезах под электронным микроскопом, у цианобактерий эта связь либо трудно обнаруживается, либо утрачена в процессе эволюции. В зависимости от условий и возраста культуры фотосинтетические мембраны образуют различные структуры — везикулы, хроматофоры, тилакоиды.

Вся необходимая для жизнедеятельности бактерий генетическая информация содержится в одной ДНК (бактериальная хромосома), чаще всего имеющей форму ковалентно замкнутого кольца (линейные хромосомы обнаружены у Streptomyces и Borrelia). Она в одной точке прикреплена к ЦПМ и помещается в структуре, обособленной, но не отделённой мембраной от цитоплазмы, и называемой нуклеоид. ДНК в развёрнутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, то есть практически все прокариоты гаплоидны, хотя в определённых условиях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосомы, а Burkholderia cepacia имеет три разных кольцевых хромосомы (длиной 3,6; 3,2 и 1,1 млн пар нуклеотидов). Рибосомы прокариот также отличны от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (80 S у эукариот).

Помимо этих структур, в цитоплазме также могут находиться включения запасных веществ.

Клеточная оболочка и поверхностные структуры

Клеточная стенка — важный структурный элемент бактериальной клетки, однако необязательный. Искусственным путём были получены формы с частично или полностью отсутствующей клеточной стенкой (L-формы), которые могли существовать в благоприятных условиях, однако иногда утрачивали способность к делению. Известна также группа природных не содержащих клеточной стенки бактерий — микоплазм.

У бактерий существует два основных типа строения клеточной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам.

Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщиной 20—80 нм, построенный в основном из пептидогликана с меньшим количеством тейхоевых кислот и небольшим количеством полисахаридов, белков и липидов (так называемый липополисахарид). В клеточной стенке имеются поры диаметром 1—6 нм, которые делают её проницаемой для ряда молекул.

У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2—3 нм. Он окружён наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривлённую форму. Между ЦПМ, слоем пептидогликана и внешней мембраной имеется пространство, называемое периплазматическим, и заполненное раствором, включающим в себя транспортные белки и ферменты.

С внешней стороны от клеточной стенки может находиться капсула — аморфный слой, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру. Однако между этими тремя идеализированными случаями есть множество переходных форм.

Бактериальных жгутиков может быть от 0 до 1000. Возможны как варианты расположения одного жгутика у одного полюса (монополярный монотрих), пучка жгутиков у одного (монополярный перитрих или лофотрихиальное жгутикование) или двух полюсов (биполярный перитрих или амфитрихиальное жгутикование), так и многочисленные жгутики по всей поверхности клетки (перитрих). Толщина жгутика составляет 10—20 нм, длина — 3—15 мкм. Его вращение осуществляется против часовой стрелки с частотой 40—60 об/с.

Помимо жгутиков, среди поверхностных структур бактерий необходимо назвать ворсинки. Они тоньше жгутиков (диаметр 5—10 нм, длина до 2 мкм) и необходимы для прикрепления бактерии к субстрату, принимают участие в транспорте метаболитов, а особые ворсинки — F-пили —нитевидные образования, более тонкие и короткие (3—10 нм х 0, 3—10 мкм), чем жгутики — необходимы клетке-донору для передачи реципиенту ДНК при конъюгации.

Размеры

Размеры бактерий в среднем составляют 0,5—5 мкм. Escherichia coli, например, имеет размеры 0,3—1 на 1—6 мкм, Staphylococcus aureus — диаметр 0,5—1 мкм, Bacillus subtilis 0,75 на 2—3 мкм. Крупнейшей из известных бактерий является Thiomargarita namibiensis, достигающая размера в 750 мкм (0,75 мм). Второй является Epulopiscium fishelsoni имеющая диаметр 80 мкм и длину до 700 мкм и обитающая в пищеварительном тракте хирурговой рыбы Acanthurus nigrofuscus. Achromatium oxaliferum достигает размеров 33 на 100 мкм, Beggiatoa alba — 10 на 50 мкм. Спирохеты могут вырастать в длину до 250 мкм при толщине 0,7 мкм. В то же время к бактериям относятся самые мелкие из имеющих клеточное строение организмов. Mycoplasma mycoides имеет размеры 0,1—0,25 мкм, что соответствует размеру крупных вирусов, например, табачной мозаики, коровьей оспы или гриппа. По теоретическим подсчётам сферическая клетка диаметром менее 0,15—0,20 мкм становится неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не помещаются все необходимые биополимеры и структуры в достаточном количестве.

При линейном увеличении радиуса клетки её поверхность возрастает пропорционально квадрату радиуса, а объём — пропорционально кубу, поэтому у мелких организмов отношение поверхности к объёму выше, чем у более крупных, что означает для первых более активный обмен веществ с окружающей средой. Метаболическая активность, измеренная по разным показателям, на единицу биомассы у мелких форм выше, чем у крупных. Поэтому небольшие даже для микроорганизмов размеры дают бактериям и археям преимущества в скорости роста и размножения по сравнению с более сложноорганизованными эукариотами и определяют их важную экологическую роль.

Многоклеточность у бактерий

Одноклеточные формы способны осуществлять все функции, присущие организму, независимо от соседних клеток. Многие одноклеточные прокариоты склонны к образованию клеточных агрегатов, часто скреплённых выделяемой ими слизью. Чаще всего это лишь случайное объединение отдельных организмов, но в ряде случаев временное объединение связано с осуществлением определённой функции, например, формирование плодовых тел миксобактериями делает возможным развитие цист, при том что единичные клетки не способны их образовывать. Подобные явления наряду с образованием одноклеточными эубактериями морфологически и функционально дифференцированных клеток — необходимые предпосылки для возникновения у них истинной многоклеточности.

его клетки должны быть агрегированы,
между клетками должно осуществляться разделение функций,
между агрегированными клетками должны устанавливаться устойчивые специфические контакты.

Размножение бактерий

Некоторые бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное деление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящий к образованию от 4 до 1024 новых клеток). Для обеспечения необходимой для эволюции и приспособления к изменчивой окружающей среде пластичности генотипа у них существуют иные механизмы.

При делении большинство грамположительных бактерий и нитчатых цианобактерий синтезируют поперечную перегородку от периферии к центру при участии мезосом. Грамотрицательные бактерии делятся путём перетяжки: на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся искривление ЦПМ и клеточной стенки внутрь. При почковании на одном из полюсов материнской клетки формируется и растёт почка, материнская клетка проявляет признаки старения и обычно не может дать более 4 дочерних. Почкование имеется у разных групп бактерий и, предположительно, возникало несколько раз в процессе эволюции.

У бактерий наблюдается и половое размножение, но в самой примитивной форме. Половое размножение бактерий отличается от полового размножения эукариот тем, что у бактерий не образуются гаметы и не происходит слияния клеток. Однако главнейшее событие полового размножения, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот процесс называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК (очень редко вся ДНК) клетки-донора переносится в клетку-реципиент, ДНК которой генетически отличается от ДНК донора. При этом перенесённая ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе замещения ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. При этом образуется ДНК, которая содержит гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У потомства или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смещением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволюции и является главным преимуществом полового размножения. Известны 3 способа получения рекомбинантов. Это — в порядке их открытия — трансформация, конъюгация и трансдукция.

Бактерий относят к прокариотическим организмам , которые не имеют ядерных оболочек, пластид , митохондрий и других мембранных органелл . Для них характерно наличие одной кольцевой ДНК . Размеры бактерий достаточно малы 0,15— 10 мкм. По форме клеток их можно разделить на три основные группы: шаровидные, или кокки, палочковидные и извитые. Бактерии, хотя и относятся к прокариотам , имеют довольно сложное строение.

Строение бактерий

Бактериальная клетка покрыта несколькими внешними слоями. Клеточная стенка обязательна для всех бактерий и является основным компонентом бактериальной клетки. Клеточная стенка бактерий придает форму и жесткость и, кроме того, выполняет ряд важных функций:

защищает клетку от повреждений
участвует в метаболизме
у многих патогенных бактерий токсична
участвует в транспорте экзотоксинов

Основным компонентом клеточной стенки бактерий является полисахарид муреин. В зависимости от строения клеточной стенки бактерии делятся на две группы: грамположительные (окрашиваются по Граму при приготовлении препаратов для микроскопирования) и грамотрицательные (не окрашиваются этим способом) бактерии.

Формы бактерий: 1 — микрококки; 2 — диплококки и тетракокки; 3 — сарцины; 4 — стрептококки; 5 — стафилококки; 6, 7 — палочки, или бациллы; 8 — вибрионы; 9 — спириллы; 10 — спирохеты

Сроение бактериальной клетки: I — капсула; 2 — клеточная стенка ; 3 — цитоплазматическая мембрана; 4 — нуклеоид; 5 — цитоплазма ; 6 — хроматофоры; 7 — тилакоиды ; 8 — мезосома; 9 — рибосомы; 10 — жгутики; II — базальное тельце; 12 — пили; 13 — капли жира

Клеточные стенки грамположительной (а) и грамотрицательной (б) бактерий:1 — мембрана; 2 — мукопептиды (муреин); 3 — липопротеиды и белки

Схема строения клеточной оболочки бактерии: 1 — цитоплазматическая мембрана; 2 — клеточная стенка; 3 — микрокапсула; 4 — капсула; 5 — слизистый слой

нуклеоид
рибосомы
цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

Органами движения бактерий являются жгутики, которых может быть от 1 до 50 и более. Для кокков характерно отсутствие жгутиков. Бактерии имеют способность к направленным формам движения — таксисам .

Таксисы бывают положительными, если движение направлено к источнику стимула, и отрицательными, когда движение направлено от него. Можно выделить следующие виды таксисов.

Хемотаксис — движение, основанное на разнице в концентрации химических веществ в среде.

Аэротаксис — на разнице концентраций кислорода.

При реакциях на свет и магнитное поле возникают соответственно фототаксис и магнитотаксис.

Важным компонентом в строении бактерий являются производные плазматической мембраны — пили (ворсинки). Пили принимают участие в слиянии бактерий в большие комплексы, прикреплении бактерий к субстрату, транспорте веществ.

Питание бактерий

По типу питания бактерии делят на две труппы: автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. В зависимости от того, какую энергию используют автотрофы для синтеза органических веществ, различают фото- (зеленые и пурпурные серобактерии) и хемосинтезирующие бактерии (нитрифицирующие, железобактерии, бесцветные серобактерии и др.). Гетеротрофные бактерии питаются готовыми органическими веществами отмерших остатков (сапротрофы) или живых растений, животных и человека (симбионты).

К сапротрофам относятся бактерии гниения и брожения. Первые расщепляют азотсодержащие соединения, вторые — углерод-содержащие. В обоих случаях выделяется энергия, необходимая для их жизнедеятельности.

Надо отметить огромное значение бактерий в круговороте азота. Только бактерии и цианобактерии способны усваивать атмосферный азот. В дальнейшем бактерии осуществляют реакции аммонификации (разложение белков из мертвой органики до аминокислот , которые затем дезаминируются до аммиака и других простых азотсодержащих соединений), нитрификации (аммиак окисляют в нитриты, а нитриты — в нитраты), денитрификации (нитраты восстанавливаются в газообразный азот).

Дыхание бактерий

облигатные аэробы: растут при свободном доступе кислорода
факультативные анаэробы: развиваются как при доступе кислорода воздуха, так и в отсутствии его
облигатные анаэробы: развиваются при полном отсутствии кислорода в окружающей среде

Размножение бактерий

Бактерии размножаются путем простого бинарного деления клетки. Этому предшествует самоудвоение ( репликация ) ДНК. Почкование встречается как исключение.

У некоторых бактерий обнаружены упрощенные формы полового процесса. Например, у кишечной палочки половой процесс напоминает конъюгацию, при которой происходит передача части генетического материала из одной клетки в другую при их непосредственном контакте. После этого клетки разъединяются. Количество особей в результате полового процесса остается прежним, но происходит обмен наследственным материалом, т. е. осуществляется генетическая рекомбинация.

Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий, у которых известны два типа спор: эндогенные, образующиеся внутри клетки, и микроцисты, образующиеся из целой клетки. При образовании спор (микроцист) в бактериальной клетке уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность, протопласт сжимается и покрывается очень плотной оболочкой. Споры обеспечивают возможность переносить неблагоприятные условия. Они выдерживают длительное высыхание, нагревание свыше 100°С и охлаждение почти до абсолютного нуля. В обычном же состоянии бактерии неустойчивы при высушивании, воздействии прямых солнечных лучей, повышении температуры до 65—80°С и т. д. В благоприятных условиях споры набухают и прорастают, образуя новую вегетативную клетку бактерий.

Несмотря на постоянную гибель бактерий (поедание их простейшими, действие высоких и низких температур и других неблагоприятных факторов), эти примитивные организмы сохранились с древнейших времен благодаря способности к быстрому размножению (клетка может делиться через каждые 20—30 мин), образованию спор, чрезвычайно устойчивых к факторам внешней среды, и их повсеместному распространению.

Задание ollbio025820162017 Перед вами список пищевых продуктов, в состав которых либо входят сами живые организмы и их части, либо продукт приготовлен при помощи живых организмов (продукты обозначены буквами). Во втором столбце даны зашифрованные писания этих живых организмов (обозначены цифрами). ♦ Описания каких организмов даны цифрами? Как их используют при приготовлении продуктов? ♦ Установите соответствие между пунктами первого и второго столбца. Обратите внимание на то, что одному продукту может соответствовать несколько организмов и наоборот. Организмы, которые могут случайно попасть в продукт, не указывайте!

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.

Рис.1 Антони ван Левенгук

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.

Рис.2 Луи Пастер

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.

Клеточное строение и жизнедеятельность бактерий.

Клеточное строение бактерии представлено клеточной мембраной, прочной клеточной стенкой и цитоплазмой (Рис.3).

Рис.3 Строение бактериальной клетки (Kirill Borisenko, CC BY-SA 4.0)

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).

Рис.4 Строение клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий

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.

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)

Рис.5 Формы бактериальных клеток (Kirill Borisenko, CC BY-SA 4.0)

Кокки могут группироваться попарно — диплококки; по 4 — тетракокки; по 8 и более — сарцины. Формы в виде виноградной грозди называют — стафилококки, в виде цепочки — стрептококки.

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).

Рис.6 Образование спор у бактерий.

Цианобактерии

Именно цианобактерии стали одними из первых представителей живых организмов на Земле. Некоторые ископаемые останки цианобактерий имеют возраст превышающий 3 мдрд лет (Рис.7).

Рис.7 Цианобактерии (синезеленые водоросли)

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).

Рис.8 Носток (Lamiot, CC BY 3.0)

Питание бактерий

По способу питания (получения энергии) бактерии подразделяются на две основные группы:

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

Рис.9 Размножение бактерий поперечным делением клеток (перетяжкой)

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.

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).

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).

Рис.10 Флюрография грудной клетки человека

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.

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).

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.

Читайте также: