BAKTERIE. BUDOWA I ROLA W PRZYRODZIE I GOSPODARCE CZŁOWIEKA.
Bakterie są wszechobecne. Zasiedlają środowiska najrozmaitszych typów. Od najwyższych szczytów górskich po oceaniczne głębiny. Oczywiście każde środowisko jest zasiedlone przez jemu właściwe formy bakterii. Liczne bakterie przystosowane są do życia na powierzchni lub wewnątrz organizmów roślinnych i zwierzęcych. Nie jest od nich wolne nawet powietrze. Szczególnie w rejonach o dużym zapyleniu, np. w miastach, między innymi dlatego, że bakterie są przenoszone przez drobiny kurzu i innych zanieczyszczeń.
Środowiskiem najliczniej zasiedlonym przez bakterie jest gleba. Liczebność bakterii w ziemi zależy głównie od wilgotności i zawartości substancji organicznych. Przeciętna liczba bakterii w 1 gramie suchej gleby waha się od kilku milionów do kilku miliardów. Najwięcej bakterii występuje w powierzchniowej warstwie gleby do głębokości 30 cm. W tej warstwie ogólna masa bakterii na powierzchni 1 ha wynosi od kilkuset kilogramów do kilku ton. W głębszych warstwach gleby bakterii jest już znacznie mniej, chociaż znajdowane są one jeszcze na głębokości kilku metrów.
Innym środowiskami dogodnymi dla życia wielu form bakteryjnych są wody różnych typów: oceany, morza, rzeki, jeziora, stawy, studnie, kałuże itp. W zależności do rodzaju zbiornika wodnego, zawartości substancji pokarmowych i natlenienia w 1 ml wody występuje kilkaset, kilka tysięcy lub nawet kilkaset tysięcy osobników. Występowanie bakterii stwierdzono nawet w najgłębszych miejscach oceanów. Najobficiej zasiedlone są pokłady mułów dennych mogą one zawierać nawet więcej bakterii niż gleba.
Osobną grupę stanowią bakterie, dla których środowiskiem życia są inne organizmy - rośliny lub zwierzęta. Liczne bakterie występują np. w przewodzie pokarmowym zwierząt i ludzi. Wiele bakterii jest nieszkodliwych, a nawet pożytecznych dla swoich nosicieli i żywicieli. Oprócz nich istnieją jednak bakterie pasożytnicze, wywołujące różnorodne choroby zwierząt i roślin
Kształt i budowa komórki bakterii.
Bakterie są jedynymi z najmniejszych żywych organizmów; mniejsze od nich są riketsje wewnątrzkomórkowe pasożyty zwierząt, głównie owadów. Najdrobniejsze bakterie mierzą ok. 0,2 m, największe osiągają długość kilkunastu mikrometrów. Najczęściej wielkość bakterii wynosi od jednego do kilku mikrometrów.
Różnorodność kształtów komórek bakteryjnych nie jest zbyt wielka. Wyróżnia się następujące podstawowe ich typy: ziarniaki (kuliste lub owalne), pałeczki - bacterium (krótkie cylindry), laseczki - bacillus (cylindry wydłużone), przecinkowce - vibrio (krótkie, wygięte pałeczki) oraz krętki i śrubowce - spirillum (wydłużone formy spiralne).
Niektóre bakterie występują pojedynczo, inne mogą tworzyć luźne kolonie. Kolonie powstają wówczas, gdy po podziale komórki macierzystej komórki potomne nie odłączają się od siebie. Zależnie od ułożenia komórek bakteryjnych w kolonii wyróżnia się skupienia tych paciorkowców - streptococcus (o układzie łańcuszkowym), gronkowców - staphyiococcus (o układzie nieregularnym), dwoinek - diplococcus (zespoły dwóch komórek), a także czworaczki, sześcianki i inne.
Niektóre bakterie, zwłaszcza występujące w środowisku wodnym, są obdarzone zdolnościami aktywnego ruchu. Poruszają się dzięki wirującym rzęskom występującym w różnej liczbie i rozmaitym ułożeniu.
Komórki bakteryjne są przeważnie powleczone warstwą śluzu. Taka otoczka chroni ciało bakterii przed nie sprzyjającymi warunkami zewnętrznymi, zwłaszcza przed wysychaniem. Pod warstwą śluzu znajduje się właściwa, sztywna ściana komórkowa. Ściana ta otacza protoplast, tzn. cytoplazmę osłoniętą błoną cytoplazmatyczną i zawarte w niej struktury komórkowe. Podstawową cechą odróżniającą komórkę bakteryjną od typowej komórki istot wyżej zorganizowanych jest brak wyraźnie wyodrębnionego jądra komórkowego. Odpowiednikiem jądra jest u bakterii tzw. nukleoid. Nukleoid jest wielokrotnie zwiniętą nicią kwasu nukleinowego, luźno zawieszoną w cytoplazmie. Nukleoidy bakterii spełniają zadania odpowiadające funkcji typowych jąder komórkowych innych organizmów.
Cytoplazma bakterii zawiera też liczne ciałka, tzw. organelle komórkowe, o określonych funkcjach życiowych. Najważniejsze z nich to rybosomy, warunkujące syntezę właściwych danej bakterii białek, oraz mezosomy, odgrywające ważną rolę w procesach oddychania komórki. Bakterie mogą też okresowo gromadzić w komórce grudki substancji zapasowych: glikogenu (związki z grupy węglowodanów), tłuszczów, białek i innych materiałów odżywczych.
Komórki niektórych bakterii zawierają chlorofil, a czasami i inne barwniki. Chlorofil występuje w cytoplazmie w tzw. ciałkach chromatoforowych, bakterie nie mają bowiem chloroplastów.
Znaczenie bakterii w przyrodzie i w życiu człowieka
Bakterie są niezbędnym ogniwem w obiegu materii w przyrodzie. Są destruentami (saprofity) rozkładającymi martwą materię organiczną do prostych związków nieorganicznych mogących być potem wykorzystanych przez rośliny. Gdyby nie było bakterii cała ziemia pokryłaby się ciałami martwych roślin i zwierząt.
Wiele bakterii żyje w symbiozie z innymi organizmami. Na przykład bakterie azotowe Rhyzobium mające zdolność wiązania azotu atmosferycznego wchodzą w symbiozę z roślinami motylkowymi i rozwijają się w ich brodawkach korzeniowych. Część soli azotowych bakterie oddają roślinie w zamian otrzymując organiczne produkty fotosyntezy. Powiązania bakterii ze światem zwierząt są bardzo różnorodne. Bakterie są pokarmem wielu pierwotniaków lecz także przeżuwaczy takich jak krowa czy owca. W żwaczu tych zwierząt żyją bakterie i inne drobnoustroje rozkładające celulozę. Te drobnoustroje stają się następnie pokarmem trawionym przez zwierzę. W przewodzie pokarmowym innych zwierząt i człowieka także żyje wiele bakterii rozkładających nie strawiony pokarm czy celulozę oraz dostarczających istotnych składników swoim gospodarzom. Przykładem może być pałeczka okrężnicy czyli Eschelichia coli. Zwierzęta eksperymentalnie pozbawione wewnętrznych drobnoustrojów od urodzenia, nie rozwijały się prawidłowo i wykazywały rozmaite anomalie anatomiczne.
Natomiast biochemiczne umiejętności bakterii już od dawna wykorzystywane są do produkcji artykułów spożywczych (serów, kefirów i jogurtów), wszelkie procesy kiszenia (kapusty, ogórków) również opierają się na działalności bakterii fermentacyjnych. Z drugiej strony to właśnie bakterie powodują psucie się produktów żywnościowych. Aby temu zapobiec stosuje się różne zabiegi konserwujące np. pasteryzacja, zamrażanie, solenie, słodzenie, czy dodawanie związków chemicznych hamujących rozwój bakterii.
W przemyśle wykorzystuje się bakterie do produkcji różnych substancji chemicznych m.in. niektórych kwasów organicznych, wielu witamin i aminokwasów. Dzięki bakteriom z obornika można otrzymać metan wykorzystywany jako źródło energii np. do poruszania silników. Bakterie mają również ogromne znaczenie w rozkładaniu szkodliwych substancji produkowanych przez ludzi. Wiele detergentów i środków ochrony roślin jest rozkładanych przez bakterie. Są one również wykorzystywane w biologicznym oczyszczaniu ścieków gdzie stanowią podstawowy składnik tzw. osadu czynnego, w którym następuje przerabianie substancji zawartych w ściekach na składniki ciała bakterii.
Wiele bakterii ma zastosowanie w medycynie. Wytwarzają one substancje hamujące rozwój konkurencyjnych bakterii tzw. antybiotyki, które wykorzystywane są w leczeniu wielu zakażeń bakteryjnych. Najważniejszą grupą bakterii pod względem produkcji antybiotyków są promieniowce wytwarzające streptomycynę i tetracyklinę. Niektóre bakterie wykorzystuje się do produkcji węglowodanu dekstranu, który stanowi podstawę płynu krwiozastępczego. Bakterie mają wielkie znaczenie w badaniach biologicznych, oraz w inżynierii genetycznej. Są bowiem źródłem enzymów restrykcyjnych służących do przecinania obcych cząsteczek DNA w ściśle określonych miejscach. W naturze enzymy te wykorzystywane są do cięcia DNA bakteriofagów, lecz w inżynierii genetycznej wykorzystuje się je do cięcia cząsteczek DNA różnych organizmów celem wyizolowania i sklonowania odpowiednich genów.
Krótko mówiąc bakterie, którym wstawi się do komórek geny odpowiedzialne za wytwarzanie określonego białka ludzkiego lub zwierzęcego stają się „fabrykami” tego białka. Niektóre bakterie w naturze powodujące choroby roślin wykorzystywane są przez inżynierów genetycznych do przenoszenia genów z jednych roślin na drugie w celu otrzymania nowych odmian o korzystnych z punktu widzenia człowieka właściwościach. Niektóre szczepy Eschelichia coli wykorzystuje się do produkcji insuliny. Obecnie naukowcy prowadzą badania nad wykorzystaniem bakterii do produkcji szczepionki przeciwko wirusowi HIV. Nie wszystkie bakterie są jednak tak pożyteczne. Niewielki ich procent wywołuje mniej lub bardziej groźne choroby roślin, zwierząt i człowieka.
Do chorób roślin wywołanych przez bakterie należą: więdnięcie, gnicie i powstawanie rakowatych narośli. Bakteryjne choroby zwierząt natomiast często przypominają choroby ludzi lub są z nimi tożsame. Przyczyną występowania objawów bakteryjnych chorób zakaźnych jest namnażanie się bakterii w komórkach i wydzielanie przez nie jadów, czyli substancji o charakterze toksycznym. Są dwa rodzaje takich toksyn: wydzielane poza komórkę egzotoksyny i uwalniane z komórki podczas jej rozpadu endotoksyny. Podczas kiedy bakterie nie wnikają do narządów, ich toksyny mogą wraz z krwią zostać rozniesione po całym organizmie powodując uszkodzenia tkanek i narządów. Obecnie dzięki szczepieniom ochronnym oraz profilaktyce można uniknąć wielu groźniejszych chorób bakteryjnych. Natomiast wprowadzenie leków takich jak sulfonamidy i antybiotyki znacznie ograniczyły ataki bakterii i pozwalają szybko powstrzymać ich rozwój w organizmie żywiciela. Jednak dany antybiotyk w przypadku jednego szczepu bakterii może się okazać skuteczny, a w innym szczepie nie wyrządzi żadnych szkód. Ma to związek z opornością bakterii na antybiotyki. Bakterie nabywają ją w dwojaki sposób. Pierwszy polega na mutacjach. Antybiotyki można podzielić na dwie grupy: blokujące rozbudowę ścian komórek bakteryjnych oraz łączące się z rybosomami bakteryjnymi i blokujące syntezę białek. W przypadku streptomycyny blokuje ona syntezę białek w komórce bakteryjnej poprzez wiązanie się z rybosomami. W skład rybosomu wchodzą cząsteczki rRNA i liczne białka. Mutacja polega na podstawieniu pojedynczego aminokwasu w określonym białku rybosomalnym co powoduje zmianę w całym rybosomie i streptomycyna przestaje hamować jego działanie. Drugi sposób polega na przemieszczaniu się plazmidów z jednej komórki bakteryjnej do drugiej. W niektórych plazmidach bakterii są geny kodujące enzymy degradujące określone antybiotyki. Bakteria zawierająca taki gen jest oporna na dany antybiotyk, gdyż w przypadku wniknięcia jego cząsteczek do komórki, są one natychmiast niszczone przez odpowiednie enzymy. Plazmidy maja tę cechę, że mogą się przedostawać z jednej komórki bakteryjnej do drugiej, nawet jeśli należy ona do drugiego rodzaju . Jeżeli organizm jest zarażony przez szczep bakterii wrażliwych np. na ampicylinę lecz znajdują się w nim symbiotyczne bakterie oporne na ten antybiotyk, wówczas plazmid z genem warunkującym tę oporność może przedostać się do komórek bakterii wrażliwych przekształcając je w oporne. Po zakończeniu kuracji antybiotykiem te bakterie, które nabyły oporność mogą spowodować zakażenie wtórne, ale tym razem nie zabije ich ampicylina i trzeba zastosować inny antybiotyk.
Do najważniejszych chorób bakteryjnych człowieka należą: cholera, trąd, gruźlica, dur brzuszny, angina, czerwonka bakteryjna, szkarlatyna, krztusiec, borelioza, zapalenie opon mózgowych, kiła, rzeżączka, dyfteryt. Prócz typowych chorób wyróżnić możemy też zatrucia, w których nie bakterie są czynnikiem wywołującym objawy choroby, ale wytwarzane przez nie egzotoksyny. Do najczęstszych należą zatrucia pokarmowe powodowane przez bakterie z rodzaju Salmonella , natomiast do najgroźniejszych - zatrucie toksyną produkowaną przez laseczkę tężca oraz jadem kiełbasianym wytwarzanym przez laseczkę jadu kiełbasianego. Jak widać, czasami najmniejsze organizmy, których nie możemy nawet zobaczyć, mają ogromny wpływ na nasze życie, oraz na życie całej planety.
4