Kas ir baktērijas un ko tās dara?
Baktērijas ir mikroskopiski, vienšūnas organismi, kas sastopami miljonos, katrā vidē gan citu organismu iekšienē, gan ārpus tām.
Dažas baktērijas ir kaitīgas, taču lielākoties tām ir noderīgs mērķis. Tie atbalsta daudzas dzīvības formas, gan augu, gan dzīvnieku, un tās tiek izmantotas rūpnieciskos un medicīniskos procesos.
Tiek uzskatīts, ka baktērijas bija pirmie organismi, kas parādījās uz zemes, apmēram pirms 4 miljardiem gadu. Vecākās zināmās fosilijas ir no baktērijām līdzīgiem organismiem.
Baktērijas kā pārtiku var izmantot lielāko daļu organisko un dažus neorganiskos savienojumus, un dažas var izdzīvot ekstremālos apstākļos.
Pieaugošā interese par zarnu mikrobiomas funkciju atklāj jaunu gaismu par baktēriju lomām cilvēka veselībā.
Kas ir baktērijas?
Baktērijas ir vienšūnas organismi.
Baktērijas ir vienšūnas organismi, kas nav ne augi, ne dzīvnieki.
Parasti tie mēra dažus mikrometrus un pastāv miljoniem cilvēku kopās.
Grams augsnes parasti satur apmēram 40 miljonus baktēriju šūnu. Mililitrā saldūdens parasti ir apmēram viens miljons baktēriju šūnu.
Tiek lēsts, ka uz zemes ir vismaz 5 noniljonu baktērijas, un tiek uzskatīts, ka lielu daļu no zemes biomasas veido baktērijas.
Veidi
Ir daudz dažādu baktēriju veidu. Viens no veidiem, kā tos klasificēt, ir forma. Ir trīs pamata formas.
- Sfērisks: baktērijas, kas veidotas kā bumba, sauc par kokiem, un viena baktērija ir kokuss. Piemēri ir streptokoku grupa, kas ir atbildīga par “streptokoku kaklu”.
- Stieņa formas: tos sauc par baciļiem (vienskaitļa baciļiem). Dažas stieņa formas baktērijas ir izliektas. Tie ir pazīstami kā vibrio. Stieņu formas baktēriju piemēri ir Bacillus anthracis (B. anthracis) vai Sibīrijas mēris.
- Spirāle: Tās ir pazīstamas kā spirilla (vienskaitļa spirillus). Ja to spole ir ļoti saspringta, tās sauc par spirohetām. Leptospirozi, Laima slimību un sifilisu izraisa šīs formas baktērijas.
Katrā formu grupā ir daudz variāciju.
Struktūra
Baktēriju šūnas atšķiras no augu un dzīvnieku šūnām. Baktērijas ir prokariotes, kas nozīmē, ka tām nav kodola.
Baktēriju šūna ietver:
- Kapsula: slānis, kas dažās baktērijās atrodas šūnu sienas ārpusē.
- Šūnas siena: slānis, kas izgatavots no polimēra, ko sauc par peptidoglikānu. Šūnu siena piešķir baktērijām tās formu. Tas atrodas ārpus plazmas membrānas. Šūnu siena dažās baktērijās ir biezāka, tās sauc par gram-pozitīvām baktērijām.
- Plazmas membrāna: atrodama šūnu sienā, tā rada enerģiju un transportē ķīmiskās vielas. Membrāna ir caurlaidīga, kas nozīmē, ka caur to var iziet vielas.
- Citoplazma: želatīna viela plazmas membrānas iekšpusē, kas satur ģenētisko materiālu un ribosomas.
- DNS: tajā ir visas ģenētiskās instrukcijas, kas tiek izmantotas baktērijas attīstībā un darbībā. Tas atrodas citoplazmas iekšpusē.
- Ribosomas: Šeit tiek izgatavotas vai sintezētas olbaltumvielas. Ribosomas ir sarežģītas daļiņas, kas sastāv no RNS bagātām granulām.
- Flagellum: to izmanto kustībai, lai dzītu dažus baktēriju veidus. Ir dažas baktērijas, kurām var būt vairāk nekā viena.
- Pili: Šie matiem līdzīgie piedēkļi šūnas ārpusē ļauj tam pielipt pie virsmām un pārnest ģenētisko materiālu uz citām šūnām. Tas var veicināt slimību izplatīšanos cilvēkiem.
Barošana
Baktērijas barojas dažādos veidos.
Heterotrofās baktērijas jeb heterotrofi iegūst enerģiju, patērējot organisko oglekli. Lielākā daļa absorbē mirušos organiskos materiālus, piemēram, sadalīšanos. Dažas no šīm parazitārajām baktērijām nogalina savu saimnieku, bet citas viņiem palīdz.
Autotrofiskās baktērijas (vai tikai autotrofi) paši gatavo pārtiku vai nu:
- fotosintēze, izmantojot saules gaismu, ūdeni un oglekļa dioksīdu, vai
- ķīmijsintēze, izmantojot oglekļa dioksīdu, ūdeni un tādas ķīmiskās vielas kā amonjaks, slāpeklis, sērs un citas
Baktērijas, kas izmanto fotosintēzi, sauc par fotoautotrofiem. Daži veidi, piemēram, zilaļģes, ražo skābekli. Viņiem, iespējams, bija izšķiroša loma skābekļa veidošanā zemes atmosfērā. Citi, piemēram, heliobaktērijas, nerada skābekli.
Tie, kas izmanto ķīmosintēzi, ir pazīstami kā ķīmijautotrofi. Šīs baktērijas parasti atrodas okeāna atverēs un pākšaugu saknēs, piemēram, lucernā, āboliņā, zirņos, pupās, lēcās un zemesriekstos.
Kur viņi dzīvo?
Baktērijas var atrasties augsnē, ūdenī, augos, dzīvniekos, radioaktīvajos atkritumos, dziļi zemes garozā, arktiskajā ledājā un ledājos, kā arī karstajos avotos. Stratosfērā ir baktērijas no 6 līdz 30 jūdzēm augšā atmosfērā un okeāna dziļumos līdz 32 800 pēdām vai 10 000 metriem dziļi.
Aerobi jeb aerobās baktērijas var augt tikai tur, kur ir skābeklis. Daži veidi var radīt problēmas cilvēka videi, piemēram, koroziju, netīrumus, problēmas ar ūdens dzidrumu un sliktu smaku.
Anaerobi jeb anaerobās baktērijas var augt tikai tur, kur nav skābekļa. Cilvēkiem tas galvenokārt notiek kuņģa-zarnu traktā. Tie var izraisīt arī gāzi, gangrēnu, stingumkrampjus, botulismu un lielāko daļu zobu infekciju.
Fakultatīvās anaerobas vai fakultatīvās anaerobās baktērijas var dzīvot vai nu ar skābekli, vai bez tā, taču viņi dod priekšroku videi, kurā ir skābeklis. Tie galvenokārt atrodas augsnē, ūdenī, veģetācijā un dažā normālā cilvēku un dzīvnieku florā. Piemēri ietver Salmonella.
Mezofīli jeb mezofilās baktērijas ir baktērijas, kas ir atbildīgas par lielāko daļu cilvēku infekciju. Viņi plaukst mērenā temperatūrā, aptuveni 37 ° C. Šī ir cilvēka ķermeņa temperatūra.
Piemēri ietver Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, un Clostridium kluyveri.
Cilvēka zarnu flora vai zarnu mikrobioma satur labvēlīgas mezofilās baktērijas, piemēram, ar uzturu Lactobacillus acidophilus.
Ekstremofīli jeb ekstremofilās baktērijas var izturēt apstākļus, kurus uzskata par pārāk ekstremāliem lielākajai daļai dzīvības formu.
Termofīli var dzīvot augstā temperatūrā, līdz 75 līdz 80 ° C, un hipertermofili var pārdzīvot temperatūrā līdz 113 ° C.
Dziļi okeānā baktērijas dzīvo pilnīgā tumsā pie siltuma ventilācijas atverēm, kur gan temperatūra, gan spiediens ir augsts. Viņi paši ražo pārtiku, oksidējot sēru, kas nāk dziļi zemes iekšienē.
Citi ekstremofili ietver:
- halofīli, kas sastopami tikai sāļā vidē
- acidofīli, no kuriem daži dzīvo tik skābā vidē kā pH 0
- alkalifiliem, kuri dzīvo alkilīna vidē līdz pH 10,5
- psihrofili, kas atrodami aukstā temperatūrā, piemēram, ledājos
Extremophiles var izdzīvot tur, kur to nevar neviens cits organisms.
Pavairošana un pārveidošana
Baktērijas var vairoties un mainīties, izmantojot šādas metodes:
- Binārā šķelšanās: bezdzimuma reprodukcijas forma, kurā šūna turpina augt, līdz caur centru izaug jauna šūnu siena, veidojot divas šūnas. Tie atdalās, izveidojot divas šūnas ar tādu pašu ģenētisko materiālu.
- Ģenētiskā materiāla nodošana: šūnas iegūst jaunu ģenētisko materiālu procesos, kas pazīstami kā konjugācija, transformācija vai transdukcija. Šie procesi var padarīt baktērijas stiprākas un spējīgākas pretoties draudiem, piemēram, antibiotiku medikamentiem.
- Sporas: Ja dažu veidu baktērijām ir maz resursu, tās var veidot sporas. Sporas satur organisma DNS materiālu un satur dīgšanai nepieciešamos enzīmus. Tie ir ļoti izturīgi pret vides stresu. Sporas var palikt neaktīvas gadsimtiem ilgi, līdz rodas pareizie apstākļi. Tad viņi var atkal aktivizēties un kļūt par baktērijām.
- Sporas var izdzīvot vides stresa periodos, ieskaitot ultravioleto (UV) un gamma starojumu, izžūšanu, badu, ķīmisko iedarbību un ārkārtēju temperatūru.
Dažas baktērijas ražo endosporas jeb iekšējās sporas, bet citas - eksosporas, kuras izdalās ārpusē. Tās ir pazīstamas kā cistas.
Clostridium ir endosporu veidojošas baktērijas piemērs. Ir apmēram 100 sugu Clostridium, ieskaitot Clostridium botulinim (C. botulinim) vai botulisms, kas izraisa potenciāli letālu saindēšanos ar pārtiku, un Clostridium difficile (C. Grūti), kas izraisa kolītu un citas zarnu problēmas.
Izmanto
Baktērijas bieži tiek uzskatītas par sliktām, taču daudzas ir noderīgas. Mēs bez viņiem nepastāvētu. Skābekli, kuru mēs elpojam, iespējams, radīja baktēriju darbība.
Cilvēka izdzīvošana
Daudzām ķermeņa baktērijām ir svarīga loma cilvēka izdzīvošanā. Gremošanas sistēmas baktērijas barības vielas, piemēram, sarežģītus cukurus, sadala tādās formās, kādas organisms var izmantot.
Nebīstamās baktērijas arī palīdz novērst slimības, aizņemot vietas, kurām patogēnās vai slimību izraisošās baktērijas vēlas pieķerties. Dažas baktērijas aizsargā mūs no slimībām, uzbrūkot patogēniem.
Slāpekļa fiksācija
Baktērijas mirstot uzņem slāpekli un atbrīvo to augu izmantošanai. Augiem dzīvošanai augsnē nepieciešams slāpeklis, taču viņi paši to nevar izdarīt. Lai to nodrošinātu, daudzām augu sēklām ir mazs baktēriju trauks, kas tiek izmantots, kad augs dīgst.
Pārtikas tehnoloģija
Pienskābes baktērijas, piemēram, Lactobacillus un Lactococcus kopā ar raugu un pelējumu vai sēnītēm izmanto tādu pārtikas produktu pagatavošanai kā siers, sojas mērce, natto (raudzētas sojas pupas), etiķis, jogurts un marinēti gurķi.
Fermentācija ir noderīga ne tikai pārtikas konservēšanai, bet daži no šiem pārtikas produktiem var dot labumu veselībai.
Piemēram, dažos fermentētos pārtikas produktos ir baktēriju veidi, kas ir līdzīgi tiem, kas saistīti ar kuņģa-zarnu trakta veselību. Daži fermentācijas procesi rada jaunus savienojumus, piemēram, pienskābi, kuriem, šķiet, ir pretiekaisuma iedarbība.
Lai apstiprinātu fermentētu pārtikas produktu ieguvumus veselībai, ir nepieciešama papildu izmeklēšana.
Baktērijas rūpniecībā un pētniecībā
Baktērijas var noārdīt organiskos savienojumus. Tas ir noderīgi tādām darbībām kā atkritumu pārstrāde un naftas noplūdes un toksisko atkritumu attīrīšana.
Farmācijas un ķīmiskā rūpniecība izmanto baktērijas noteiktu ķīmisko vielu ražošanā.
Baktērijas tiek izmantotas molekulārajā bioloģijā, bioķīmijā un ģenētiskajos pētījumos, jo tās var ātri augt un ar tām ir salīdzinoši viegli manipulēt. Zinātnieki izmanto baktērijas, lai izpētītu gēnu un enzīmu darbību.
Antibiotiku pagatavošanai ir nepieciešamas baktērijas.
Bacillus thuringiensis (Bt) ir baktērija, kuru pesticīdu vietā var izmantot lauksaimniecībā. Tam nav nevēlamu vides seku, kas saistītas ar pesticīdu lietošanu.
Apdraudējumi
Daži baktēriju veidi var izraisīt cilvēku slimības, piemēram, holēru, difteriju, dizentēriju, buboņu mēri, pneimoniju, tuberkulozi (TB), vēdertīfu un daudz ko citu.
Ja cilvēka ķermenis tiek pakļauts baktērijām, kuras organisms neatzīst par noderīgām, imūnsistēma tām uzbruks. Šī reakcija var izraisīt pietūkuma un iekaisuma simptomus, kurus mēs redzam, piemēram, inficētā brūcē.
Pretestība
1900. gadā trīs lielākie ASV slepkavas bija pneimonija, TB un caureja. Sterilizācijas paņēmieni un antibiotiku medikamenti ir ievērojami samazinājuši baktēriju izraisīto nāves gadījumu skaitu.
Tomēr pārmērīga antibiotiku lietošana apgrūtina baktēriju infekcijas ārstēšanu. Kad baktērijas mutējas, tās kļūst izturīgākas pret esošajām antibiotikām, padarot infekcijas grūtāk ārstējamas. Baktērijas pārveidojas dabiski, taču pārmērīga antibiotiku lietošana paātrina šo procesu.
"Pat ja tiks izstrādātas jaunas zāles, nemainot uzvedību, rezistence pret antibiotikām joprojām būs galvenais drauds."
Pasaules Veselības organizācija (PVO)
Šī iemesla dēļ zinātnieki un veselības aizsardzības iestādes aicina ārstus neizrakstīt antibiotikas, ja vien tas nav nepieciešams, un cilvēkiem izmantot citus slimību profilakses veidus, piemēram, labu pārtikas higiēnu, roku mazgāšanu, vakcināciju un prezervatīvu lietošanu.
Zarnu mikrobiome
Jaunākie pētījumi ir noveduši pie jauna un pieaugoša viedokļa par to, kā cilvēka ķermenis mijiedarbojas ar baktērijām, un jo īpaši ar zarnu traktā dzīvojošām baktēriju kopienām, kas pazīstamas kā zarnu mikrobiomi vai zarnu flora.
2009. gadā pētnieki publicēja secinājumus, kas liecina, ka sievietēm ar aptaukošanos, visticamāk, ir noteikta veida baktērijas, Selenomonas noxia (S. noxia), viņu mutē.
2015. gadā Ziemeļkarolīnas universitātes zinātnieki atklāja, ka cilvēku ar anoreksiju zarnās ir "ļoti atšķirīgas" baktērijas vai mikrobu apvienības, salīdzinot ar cilvēkiem, kuriem nav šī stāvokļa. Viņi norāda, ka tam var būt psiholoģiska ietekme.
Vēsture
Pirms vairāk nekā 2000 gadiem romiešu autors Markuss Terentijs Varro ierosināja, ka slimību var izraisīt sīki dzīvnieki, kas peldēja gaisā. Viņš ieteica cilvēkiem būvdarbu laikā izvairīties no purvainām vietām, jo tajos varētu būt pārāk mazi kukaiņi, lai acs neredzētu un iekļūtu ķermenī caur muti un nāsīm un izraisītu slimības.
17. gadsimtā holandiešu zinātnieks Antonijs van Lēvenhūks izveidoja viena objektīva mikroskopu, ar kuru viņš ieraudzīja tā sauktās dzīvnieku kapsulas, kuras vēlāk sauca par baktērijām. Viņš tiek uzskatīts par pirmo mikrobiologu.
19. gadsimtā ķīmiķi Luiss Pastērs un Roberts Kohs sacīja, ka slimības izraisa mikrobi. Tas bija pazīstams kā dīgļu teorija.
1910. gadā zinātnieks Pols Ērlihs atzīmēja pirmās antibiotikas - Salvarsana - attīstību. Viņš to izmantoja sifilisa ārstēšanai. Viņš bija arī pirmais zinātnieks, kurš atklāja baktērijas, izmantojot traipus.
2001. gadā Džošua Lederburgs izveidoja terminu “zarnu mikrobiome”, un zinātnieki visā pasaulē šobrīd cenšas precīzāk aprakstīt un izprast “zarnu floras” jeb baktēriju struktūras, veidus un lietojumus cilvēka ķermenī.
Paredzams, ka ar laiku šis darbs atklās jaunu gaismu visdažādākajos veselības apstākļos.
