Kaj so bakterije in kaj počnejo?

Bakterije so mikroskopski enocelični organizmi, ki obstajajo na milijone v vsakem okolju, tako znotraj kot zunaj drugih organizmov.

Nekatere bakterije so škodljive, vendar je večina uporabna. Podpirajo številne oblike življenja, tako rastlinskega kot živalskega izvora, uporabljajo pa jih v industrijskih in medicinskih procesih.

Zdi se, da so bile bakterije prvi organizmi, ki so se pojavili na zemlji pred približno 4 milijardami let. Najstarejši znani fosili so bakterijskim organizmom.

Bakterije lahko uporabljajo večino organskih in nekatere anorganske spojine kot hrano, nekatere pa lahko preživijo ekstremne razmere.

Naraščajoče zanimanje za delovanje črevesnega mikrobioma osvetljuje vlogo bakterij pri zdravju ljudi.

Kaj so bakterije?

Bakterije so enocelični organizmi.

Bakterije so enocelični organizmi, ki niso niti rastline niti živali.

Običajno merijo nekaj mikrometrov v dolžino in skupaj obstajajo v milijonskih skupnostih.

Gram zemlje običajno vsebuje približno 40 milijonov bakterijskih celic. V mililitru sladke vode je običajno približno milijon bakterijskih celic.

Ocenjuje se, da ima zemlja vsaj 5 nonilijonskih bakterij, velik del zemeljske biomase pa naj bi bil sestavljen iz bakterij.

Vrste

Obstaja veliko različnih vrst bakterij. Eden od načinov njihove razvrstitve je oblika. Obstajajo tri osnovne oblike.

• Sferične: Bakterije v obliki krogle se imenujejo koki, ena bakterija pa je kokus. Primeri vključujejo skupino streptokokov, ki je odgovorna za "strep v grlu".
• V obliki palice: Ti so znani kot bacili (singular bacillus). Nekatere bakterije v obliki palic so ukrivljene. Ti so znani kot vibrio. Primeri bakterij v obliki palic vključujejo Bacillus anthracis (B. antracis) ali antraks.
• Spirala: Ti so znani kot spirilla (singular spirillus). Če je njihova tuljava zelo tesna, so znane kot spirohete. Leptospirozo, boreliozo in sifilis povzročajo bakterije te oblike.

V vsaki skupini oblik je veliko različic.

Struktura

Bakterijske celice se razlikujejo od rastlinskih in živalskih celic. Bakterije so prokarionti, kar pomeni, da nimajo jedra.

Bakterijska celica vključuje:

• Kapsula: Plast nekaterih bakterij na zunanji strani celične stene.
• Celična stena: plast, izdelana iz polimera, imenovanega peptidoglikan. Celična stena daje bakteriji obliko. Nahaja se zunaj plazemske membrane. Celična stena je pri nekaterih bakterijah debelejša, imenovana gram pozitivne bakterije.
• Plazemska membrana: najdena znotraj celične stene ustvarja energijo in prenaša kemikalije. Membrana je prepustna, kar pomeni, da lahko snovi prehajajo skozenj.
• Citoplazma: Želatinasta snov znotraj plazemske membrane, ki vsebuje genski material in ribosome.
• DNA: Vsebuje vsa genetska navodila, ki se uporabljajo pri razvoju in delovanju bakterije. Nahaja se znotraj citoplazme.
• Ribosomi: Tu nastajajo ali sintetizirajo beljakovine. Ribosomi so kompleksni delci, sestavljeni iz z RNA bogatih zrnc.
• Flagellum: Uporablja se za gibanje za poganjanje nekaterih vrst bakterij. Obstaja nekaj bakterij, ki imajo lahko več kot eno.
• Pili: Ti lasje podobni dodatki na zunanji strani celice omogočajo, da se drži površin in prenese genski material v druge celice. To lahko prispeva k širjenju bolezni pri ljudeh.

Hranjenje

Bakterije se hranijo na različne načine.

Heterotrofne bakterije ali heterotrofi dobijo energijo z uživanjem organskega ogljika. Večina absorbira odmrle organske snovi, na primer meso, ki se razgrajuje. Nekatere od teh parazitskih bakterij ubijejo svojega gostitelja, druge pa jim pomagajo.

Avtotrofne bakterije (ali samo avtotrofi) si ustvarijo hrano bodisi z:

• fotosinteza z uporabo sončne svetlobe, vode in ogljikovega dioksida, ali
• kemosintezo z uporabo ogljikovega dioksida, vode in kemikalij, kot so amoniak, dušik, žveplo in druge

Bakterije, ki uporabljajo fotosintezo, imenujemo fotoavtotrofi. Nekatere vrste, na primer cianobakterije, proizvajajo kisik. Ti so verjetno igrali ključno vlogo pri ustvarjanju kisika v zemeljski atmosferi. Drugi, na primer heliobakterije, ne proizvajajo kisika.

Tisti, ki uporabljajo kemosintezo, so znani kot kemoautotrofi. Te bakterije pogosto najdemo v oceanskih odprtinah in v koreninah stročnic, kot so lucerna, detelja, grah, fižol, leča in arašidi.

Kje živijo?

Bakterije lahko uspevajo tudi v ekstremnih okoljih, kot so ledeniki.

Bakterije lahko najdemo v tleh, vodi, rastlinah, živalih, radioaktivnih odpadkih, globoko v zemeljski skorji, arktičnem ledu in ledenikih ter v vrelcih. V stratosferi so bakterije, ki so med 6 in 30 milj navzgor v ozračju in v globinah oceana do 32.800 čevljev ali 10.000 metrov globoko.

Aerobe ali aerobne bakterije lahko rastejo samo tam, kjer je kisik. Nekatere vrste lahko povzročajo težave za človeško okolje, kot so korozija, obraščanje, težave s čistočo vode in slabi vonji.

Anaerobi ali anaerobne bakterije lahko rastejo samo tam, kjer ni kisika. Pri ljudeh je to večinoma v prebavilih. Povzročijo lahko tudi pline, gangreno, tetanus, botulizem in večino zobnih okužb.

Fakultativni anaerobi ali fakultativne anaerobne bakterije lahko živijo s kisikom ali brez njega, vendar imajo raje okolja, kjer je kisik. Največ jih najdemo v tleh, vodi, rastlinstvu in nekaj običajne flore ljudi in živali. Primeri vključujejo Salmonela.

Mezofili ali mezofilne bakterije so bakterije, odgovorne za večino človeških okužb. Uspevajo pri zmernih temperaturah, okoli 37 ° C. To je temperatura človeškega telesa.

Primeri vključujejo Listeria monocytogenes, Maludofilija pesudomonas, Thiobacillus novelus, zlati stafilokok, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, in Clostridium kluyveri.

Človeška črevesna flora ali črevesni mikrobiom vsebuje koristne mezofilne bakterije, na primer prehranske Lactobacillus acidophilus.

Ekstremofili ali ekstremofilne bakterije lahko prenesejo razmere, ki se štejejo za preveč ekstremne za večino življenjskih oblik.

Termofili lahko živijo pri visokih temperaturah, do 75 do 80 ° C, hipertermofili pa lahko preživijo pri temperaturah do 113 ° C.

Globoko v oceanu bakterije živijo v popolni temi s toplotnimi odprtinami, kjer sta temperatura in tlak visoka. Hrano si ustvarijo tako, da oksidirajo žveplo, ki prihaja iz globine zemlje.

Drugi ekstremofili vključujejo:

• halofili, ki jih najdemo le v slanem okolju
• acidofili, od katerih nekateri živijo v kislih okoljih, kot je pH 0
• alkalifili, ki živijo v alkilnih okoljih do pH 10,5
• psihrofili, ki jih najdemo v hladnih temperaturah, na primer v ledenikih

Ekstremofili lahko preživijo tam, kjer ne more noben drug organizem.

Razmnoževanje in preoblikovanje

Bakterije se lahko razmnožujejo in spreminjajo po naslednjih metodah:

• Binarna cepitev: Aseksualna oblika razmnoževanja, pri kateri celica še naprej raste, dokler skozi središče ne zraste nova celična stena, ki tvori dve celici. Ti se ločijo in tvorijo dve celici z istim genskim materialom.
• Prenos genskega materiala: Celice pridobijo nov genski material s postopki, znanimi kot konjugacija, transformacija ali transdukcija. Ti procesi lahko naredijo bakterije močnejše in sposobnejše se upreti grožnjam, na primer antibiotikom.
• Spore: Ko nekaterim vrstam bakterij primanjkuje virov, lahko tvorijo spore. Spore vsebujejo DNK material organizma in vsebujejo encime, potrebne za kalitev. So zelo odporni na okoljske obremenitve. Spore lahko ostanejo neaktivne stoletja, dokler ne nastopijo ustrezni pogoji. Potem se lahko ponovno aktivirajo in postanejo bakterije.
• Spore lahko preživijo v obdobjih okoljskega stresa, vključno z ultravijoličnim (UV) in gama sevanjem, izsušitvijo, stradanjem, kemično izpostavljenostjo in ekstremnimi temperaturami.

Nekatere bakterije proizvajajo endospore ali notranje spore, druge pa eksospore, ki se sproščajo zunaj. Te so znane kot ciste.

Clostridium je primer bakterije, ki tvori endospore. Obstaja približno 100 vrst Clostridium, vključno z Clostridium botulinim (C. botulinim) ali botulizem, odgovoren za potencialno usodno vrsto zastrupitve s hrano, in Clostridium difficile (C. Difficile), ki povzroča kolitis in druge črevesne težave.

Uporabe

Za bakterije pogosto velja, da so slabe, vendar so mnoge v pomoč. Brez njih ne bi obstajali. Kisik, ki ga vdihavamo, je verjetno nastal z dejavnostjo bakterij.

Preživetje človeka

Številne bakterije v telesu igrajo pomembno vlogo pri človekovem preživetju. Bakterije v prebavnem sistemu razgrajujejo hranila, kot so kompleksni sladkorji, v oblike, ki jih telo lahko uporabi.

Nenevarne bakterije pomagajo preprečevati tudi bolezni, tako da zasedajo mesta, na katera se želijo pritrditi patogene ali povzročitelje bolezni. Nekatere bakterije nas ščitijo pred boleznimi tako, da napadajo patogene.

Fiksacija dušika

Bakterije prevzamejo dušik in ga, ko umrejo, sprostijo v rastline. Rastline za življenje potrebujejo dušik v tleh, vendar tega same ne morejo storiti. Da bi to zagotovili, ima veliko rastlinskih semen majhno posodo z bakterijami, ki se uporablja, ko rastlina požene.

Živilska tehnologija

Pridelava sira vključuje bakterije.

Mlečnokislinske bakterije, kot npr Lactobacillus in Laktokok skupaj s kvasom in plesnijo ali glivicami se uporabljajo za pripravo živil, kot so sir, sojina omaka, natto (fermentirani sojini fižol), kis, jogurt in kumarice.

Fermentacija ni koristna samo za konzerviranje živil, ampak nekatera od teh živil lahko koristijo zdravju.

Nekatera fermentirana živila na primer vsebujejo vrste bakterij, ki so podobne tistim, ki so povezane z zdravjem prebavil. Nekateri fermentacijski procesi vodijo do novih spojin, na primer mlečne kisline, ki imajo protivnetni učinek.

Potrebne so dodatne preiskave, da bi potrdili zdravstvene koristi fermentirane hrane.

Bakterije v industriji in raziskavah

Bakterije lahko razgradijo organske spojine. To je koristno za dejavnosti, kot so predelava odpadkov in čiščenje razlitja nafte in strupenih odpadkov.

Farmacevtska in kemična industrija uporablja bakterije pri proizvodnji nekaterih kemikalij.

Bakterije se uporabljajo v molekularni biologiji, biokemiji in genetskih raziskavah, ker lahko hitro rastejo in je z njimi razmeroma enostavno upravljati. Znanstveniki z bakterijami preučujejo delovanje genov in encimov.

Bakterije so potrebne za izdelavo antibiotikov.

Bacillus thuringiensis (Bt) je bakterija, ki se lahko uporablja v kmetijstvu namesto pesticidov. Nima neželenih okoljskih posledic, povezanih z uporabo pesticidov.

Nevarnosti

Nekatere vrste bakterij lahko pri ljudeh povzročijo bolezni, kot so kolera, difterija, dizenterija, bubonska kuga, pljučnica, tuberkuloza (TB), tifus in še veliko več.

Če je človeško telo izpostavljeno bakterijam, ki jih telo ne prepozna kot koristne, jih bo imunski sistem napadel. Ta reakcija lahko privede do simptomov otekline in vnetja, ki jih na primer opazimo pri okuženi rani.

Odpornost

Leta 1900 so bili pljučnica, tuberkuloza in driska trije največji morilci v ZDA. Tehnike sterilizacije in antibiotična zdravila so privedle do znatnega zmanjšanja števila smrtnih primerov zaradi bakterijskih bolezni.

Vendar prekomerna uporaba antibiotikov otežuje zdravljenje bakterijske okužbe. Ko bakterije mutirajo, postanejo bolj odporne na obstoječe antibiotike, zaradi česar je okužbe težje zdraviti. Bakterije se naravno preoblikujejo, vendar prekomerna uporaba antibiotikov pospešuje ta proces.

"Tudi če se bodo razvila nova zdravila, bo sprememba vedenja še vedno velika grožnja."

Svetovna zdravstvena organizacija (WHO)

Zato znanstveniki in zdravstveni organi pozivajo zdravnike, naj ne predpisujejo antibiotikov, razen če je to potrebno, in naj ljudje izvajajo druge načine preprečevanja bolezni, kot so dobra higiena hrane, umivanje rok, cepljenje in uporaba kondomov.

Črevesni mikrobiom

Nedavne raziskave so privedle do novega in čedalje večjega obveščanja o tem, kako človeško telo sodeluje z bakterijami, zlasti s skupnostmi bakterij, ki živijo v črevesnem traktu, znanem kot črevesni mikrobiom ali črevesna flora.

Leta 2009 so raziskovalci objavili ugotovitve, ki kažejo, da imajo ženske z debelostjo večjo verjetnost, da imajo določeno vrsto bakterij, Selenomonas noxia (S. noxia), v ustih.

Leta 2015 so znanstveniki z univerze v Severni Karolini ugotovili, da črevesje ljudi z anoreksijo vsebuje "zelo različne" bakterije ali mikrobne skupnosti v primerjavi z ljudmi, ki nimajo te bolezni. Predlagajo, da bi to lahko imelo psihološki vpliv.

Zgodovina

Pred več kot 2000 leti je rimski avtor Marcus Terentius Varro predlagal, da bolezen lahko povzročijo drobne živali, ki plavajo v zraku. Ljudem je svetoval, naj se med gradbenimi deli izogibajo močvirnatih krajev, ker lahko vsebujejo žuželke, premajhne, ​​da bi jih oko videlo, ki vstopajo v telo skozi usta in nosnice in povzročajo bolezni.

V 17. stoletju je nizozemski znanstvenik Antonie van Leeuwenhoek ustvaril mikroskop z eno lečo, s katerim je videl tisto, kar je imenoval žival, pozneje znan kot bakterija. Velja za prvega mikrobiologa.

V 19. stoletju sta kemika Louis Pasteur in Robert Koch dejala, da bolezni povzročajo klice. To je bilo znano kot teorija o kalčkih.

Leta 1910 je znanstvenik Paul Ehrlich napovedal razvoj prvega antibiotika Salvarsan. Uporabil ga je za zdravljenje sifilisa. Bil je tudi prvi znanstvenik, ki je bakterije odkril z uporabo madežev.

Leta 2001 je Joshua Lederburg skoval izraz "črevesni mikrobiom", znanstveniki po vsem svetu pa trenutno želijo natančneje opisati in razumeti strukture, vrste in uporabo "črevesne flore" ali bakterij v človeškem telesu.

Sčasoma naj bi to delo osvetlilo širok spekter zdravstvenih stanj.