Интересные бактерии примеры. Ученые: бактерии кишечника могут вырабатывать электричество 

ВКонтакте Facebook Одноклассники

Всю свою жизнь микробиолог Лин Маргулис (1938-2011) пыталась доказать, что мир микроорганизмов влияет на внутреннюю биосферу - мир живых существ - гораздо больше, чем констатируют ученые

Недавно группа ученых со всего мира провела и проанализировала сотни исследований (большинство - за прошлое десятилетие), касающихся сферы взаимодействий «животное - бактерия», и доказала, что выводы Маргулис были верны. Полученные результаты стали поворотным пунктом, после которого ученые будут вынуждены пересмотреть некоторые фундаментальные понятия в сфере взаимоотношений бактерий и других форм жизни.

Сама идея проекта зародилась тогда, когда несколько ученых самостоятельно пришли к осознанию важности бактерий во многих сферах деятельности. Например, профессор биологии из Университета Гавайев в Маноа Майкл Хэдвилд многие годы занимался изучением метаморфоз морских животных. Он обнаружил, что определенный вид бактерий способствует тому, чтобы личинки червей оседали на определенные места на морском дне и чтобы впоследствии именно на этих территориях они развивались во взрослые особи и жили всю свою жизнь.

Бактерии вокруг нас

В целом легко понять, почему бактерии играют очень важную роль в мире живого. Бактерии были одними из первых появившихся на Земле видов (они появились примерно 3,8 триллиона лет назад), и более чем вероятно, что они переживут и нас, людей. В древе жизни бактерии занимают одно из трех главных ответвлений, два других - это археи и эукариоты, животные относятся к последним. Несмотря на их огромное разнообразие и на то, что они расселены практически везде на Земле - и на дне океана, и даже в нашем кишечнике, - у бактерий все же есть нечто общее. Все бактерии обладают приблизительно одинаковым размером (несколько микрометров) и состоят из одной-двух безъядерных клеток.

Безусловно, ученые уже многие годы учитывают, что животные служат своеобразным «домом», местом обитания для бактерий: в частности, они живут в желудке, во рту или на коже. Последние же исследования еще ярче показали, насколько многочисленны бактерии. Было выявлено, что в наших телах клеток бактерий в 10 раз больше, чем собственно человеческих клеток (однако общий вес бактерий составляет менее полуфунта, так как их клетки значительно меньше человеческих). В то время как одни бактерии просто живут бок о бок с животными, не пытаясь взаимодействовать с ними, другие бактерии достаточно активно вступают во взаимодействие. Мы часто говорим, что бактерии являются своеобразными зародышами, или патогенами, болезней, в частности, таких, как туберкулез, бубонная чума и стафилококк. Однако бактерии выполняют и много нужных нам функций, и последние исследования показали, что фактически жизнь без бактерий была бы совсем иной.

«Истинное число видов бактерий ошеломляюще огромно. Примите во внимание последние открытые виды в высоких слоях атмосферы и в камне глубоко под морским дном, - рассказывает Хэдвилд. - К их числу добавьте виды бактерий, которые способны обитать во всех возможных средах, от выгребных ям до горячих источников, а также тех, которые способны обитать практически в любом живом организме. Таким образом, количество видов, вызывающих болезни, невелико в соотношении с их основной массой. Я подозреваю, что количество полезных и необходимых живым организмам бактерий также невелико, а их основная масса по отношению к живым существам просто нейтральна. Однако я также убежден в том, что количество полезных видов превышает количество патогенных».

Процент человеческого генома, который сформировался в серии стадий эволюции. 37% человеческих генов произошли от бактерий, 28% эукариоты, 16% звери, 13% позвоночные, 6% приматы. Фото с сайта pnas.org

Происхождение животных и коэволюция

Опираясь на последние исследования, можно даже предположить, что именно бактерии стали причиной появления на Земле многоклеточных организмов (примерно 1-2 триллиона лет назад) и животных (примерно 700 миллионов лет назад). Однако такой подход пока вызывает интенсивные споры и признан не всеми учеными.

Сыграв свою роль в появлении животных, бактерии продолжали принимать участие и в процессе их эволюции, или, правильнее сказать, коэволюции - совместной эволюции живых организмов и бактерий. Это четко видно на примере развития у млекопитающих эндотермии - способности поддерживать постоянную температуру на уровне примерно 40ºС (100 градусов по Фаренгейту) с помощью метаболизма. И это - как раз та температура, при которой бактерии млекопитающих максимально эффективно производят энергию и снижают потребность организма в пище. Данное открытие определило, что именно бактерии стали причиной появления у животных эндотермии.

Бактерии в микробиоматерии животного, например, в пищеварительном тракте, во рту и на коже, сообщаются между собой и обмениваются сигналами с системами органов животного. Фото с сайта pnas.org

Сигналы бактерий

Свидетельства прочного союза животных и бактерий присутствуют в геномах обоих видов. Исследователи подсчитали, что около 37% генов человека имеют гомологи с бактериями и археями; это значит, что гены бактерий и архей произошли от общего предка. Многие из этих генов способны обмениваться информацией друг с другом, а значит, они в состоянии влиять на развитие друг друга. Исследовательская группа под руководством Хэдфилда открыла, что взаимное бактериальное сигнализирование играет важную роль в стимулировании метаморфозы у некоторых морских беспозвоночных, личинок; в этих случаях бактерии производят сигналы, «рассказывающие» о конкретных экологических факторах.

Другие исследования показали, что бактериальное сигнализирование влияет на нормальное развитие мозга у млекопитающих, на репродуктивное поведение как позвоночных, так и беспозвоночных.

Разрыв бактериальных сигнальных путей может привести к таким заболеваниям, как диабет, воспаление кишечника, а также к инфекционным заболеваниям.

В кишечнике

Испокон веков бактерии играли важную роль в питании животных, помогая им переваривать пищу. Возможно, они также влияли и на развитие других близлежащих органов и систем, таких как дыхательная и мочеполовая системы. Кроме того, эволюция животных и бактерий, вероятно, шла параллельно и приводила к специализации последних. Например, 90% видов бактерий, встречающихся в кишечнике термитов, не встречаются больше нигде. Это значит, что при вымирании одного вида животных вымирает и определенное количество видов бактерий.

Ученые обнаружили, что бактерии в кишечнике человека адаптируются к изменению диеты. Например, у большинства американцев кишечные бактерии адаптированы для переваривания пищи с высоким содержанием жиров, в то время как бактерии сельского населения в Венесуэле больше расположены к разрушению сложных углеводов, а у отдельных японцев даже есть бактерии, способные переваривать водоросли.

Насекомое (1 мм), живущее под лесным пологом (10 м), демонстрирует многократные взаимодействия бактерии-животного. Бактерия (1 микрометр), проживающая в пищеварительном тракте животного (0.1 мм), важна для усвоения питательных веществ в процессе питания насекомого, которые часто составляют большую часть животной биомассы под пологом леса. Фото с сайта pnas.org

Общая картина

В целом новейшие исследования показали, что бактерии и животный мир тесно связаны между собой, они способны повлиять на здоровье и благополучие друг друга. На основании полученных данных исследователи приходят к выводу, что подобные взаимодействия должны существовать и между другими видами, такими как археи, грибы, растения и животные. Предположения Маргулис сегодня подтверждены, и ученые предлагают в корне изменить подход к биологическим наукам и, возможно, даже их изложение в школьных учебниках.

В свете последних открытий планируется провести и ряд исследований бактерий в сфере их взаимодействия с человеком. Ученые надеются, что в конечном итоге результаты исследований позволят развить междисциплинарное сотрудничество между учеными и инженерами разных областей, что позволит изучать микроорганизмы во все новых и новых ракурсах.

Бактерии — самая древняя группа организмов из ныне существующих на Земле. Первые бактерии появились, вероятно, более 3,5 млрд лет назад и на протяжении почти миллиарда лет были единственными живыми существами на нашей планете. Поскольку это были первые представители живой природы, их тело имело примитивное строение.

Со временем их строение усложнилось, но и поныне бактерии считаются наиболее примитивными одноклеточными организмами. Интересно, что некоторые бактерии и сейчас ещё сохранили примитивные черты своих древних предков. Это наблюдается у бактерий, обитающих в горячих серных источниках и бескислородных илах на дне водоёмов.

Большинство бактерий бесцветно. Только немногие окрашены в пурпурный или в зелёный цвет. Но колонии многих бактерий имеют яркую окраску, которая обусловливается выделением окрашенного вещества в окружающую среду или пигментированием клеток.

Первооткрывателем мира бактерий был Антоний Левенгук — голландский естествоиспытатель 17 века, впервые создавший совершенную лупу-микроскоп, увеличивающую предметы в 160-270 раз.

Бактерии относят к прокариотам и выделяют в отдельное царство — Бактерии.

Форма тела

Бактерии — многочисленные и разнообразные организмы. Они различаются по форме.

Название бактерии	Форма бактерии	Изображение бактерии
Кокки		Шарообразная
Бацилла		Палочковидная
Вибрион		Изогнутая в виде запятой
Спирилла		Спиралевидная
Стрептококки		Цепочка из кокков
Стафилококки		Грозди кокков
Диплококки		Две круглые бактерии, заключённые в одной слизистой капсуле

Способы передвижения

Среди бактерий есть подвижные и неподвижные формы. Подвижные передвигаются за счёт волнообразных сокращений или при помощи жгутиков (скрученные винтообразные нити), которые состоят из особого белка флагеллина. Жгутиков может быть один или несколько. Располагаются они у одних бактерий на одном конце клетки, у других — на двух или по всей поверхности.

Но движение присуще и многим иным бактериям, у которых жгутики отсутствуют. Так, бактерии, покрытые снаружи слизью, способны к скользящему движению.

У некоторых лишённых жгутиков водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли. В клетке может быть 40-60 вакуолей. Каждая из них заполнена газом (предположительно — азотом). Регулируя количество газа в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на её поверхность, а почвенные бактерии — передвигаться в капиллярах почвы.

Место обитания

В силу простоты организации и неприхотливости бактерии широко распространены в природе. Бактерии обнаружены везде: в капле даже самой чистой родниковой воды, в крупинках почвы, в воздухе, на скалах, в полярных снегах, песках пустынь, на дне океана, в добытой с огромной глубины нефти и даже в воде горячих источников с температурой около 80ºС. Обитают они на растениях, плодах, у различных животных и у человека в кишечнике, ротовой полости, на конечностях, на поверхности тела.

Бактерии — самые мелкие и самые многочисленные живые существа. Благодаря малым размерам они легко проникают в любые трещины, щели, поры. Очень выносливы и приспособлены к различным условиям существования. Переносят высушивание, сильные холода, нагревание до 90ºС, не теряя при этом жизнеспособность.

Практически нет места на Земле, где не встречались бы бактерии, но в разных количествах. Условия жизни бактерий разнообразны. Одним из них необходим кислород воздуха, другие в нём не нуждаются и способны жить в бескислородной среде.

В воздухе: бактерии поднимаются в верхние слои атмосферы до 30 км. и больше.

Особенно много их в почве. В 1 г. почвы могут содержаться сотни миллионов бактерий.

В воде: в поверхностных слоях воды открытых водоёмов. Полезные водные бактерии минерализуют органические остатки.

В живых организмах: болезнетворные бактерии попадают в организм из внешней среды, но лишь в благоприятных условиях вызываю заболевания. Симбиотические живут в органах пищеварения, помогая расщеплять и усваивать пищу, синтезируют витамины.

Внешнее строение

Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой — клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи — капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула — не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.

На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.

Внутреннее строение

Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, — нуклеиновая кислота — ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.

Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.

В центральной части клетки локализовано ядерное вещество — ДНК, не отграниченная от цитоплазмы мембраной. Это аналог ядра — нуклеоид. Нуклеоид не обладает мембраной, ядрышком и набором хромосом.

Способы питания

У бактерий наблюдаются разные способы питания. Среди них есть автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — организмы, способные самостоятельно образовывать органические вещества для своего питания.

Растения нуждаются в азоте, но сами усваивают азот воздуха не могут. Некоторые бактерии соединяют содержащиеся в воздухе молекулы азота с другими молекулами, в результате чего получаются вещества, доступные для растений.

Эти бактерии поселяются в клетках молодых корней, что приводит к образованию на корнях утолщений, называемых клубеньками. Такие клубеньки образуются на корнях растений семейства бобовых и некоторых других растений.

Корни дают бактериям углеводы, а бактерии корням — такие содержащие азот вещества, которые могут быть усвоены растением. Их сожительство взаимовыгодно.

Корни растений выделяют много органических веществ (сахара, аминокислоты и другие), которыми питаются бактерии. Поэтому в слое почвы, окружающем корни, поселяется особенно много бактерий. Эти бактерии превращают отмершие остатки растений в доступные для растения вещества. Этот слой почвы называют ризосферой.

Существует несколько гипотез о проникновении клубеньковых бактерий в ткани корня:

• через повреждения эпидермальной и коровой ткани;
• через корневые волоски;
• только через молодую клеточную оболочку;
• благодаря бактериям-спутникам, продуцирующим пектинолитические ферменты;
• благодаря стимуляции синтеза В-индолилуксусной кислоты из триптофана, всегда имеющегося в корневых выделениях растений.

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня состоит из двух фаз:

• инфицирование корневых волосков;
• процесс образования клубеньков.

В большинстве случаев внедрившаяся клетка, активно размножается, образует так называемые инфекционные нити и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения. Клубеньковые бактерии, вышедшие из инфекционной нити, продолжают размножаться в ткани хозяина.

Наполняющиеся быстро размножающимися клетками клубеньковых бактерий растительные клетки начинают усиленно делиться. Связь молодого клубенька с корнем бобового растения осуществляется благодаря сосудисто-волокнистым пучкам. В период функционирования клубеньки обычно плотные. К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.

Бактерии клубеньков создают десятки и сотни килограммов азотных удобрений на гектаре почвы.

Обмен веществ

Бактерии отличаются друг от друга обменом веществ. У одних он идёт при участии кислорода, у других — без его участия.

Большинство бактерий питается готовыми органическими веществами. Лишь некоторые из них (сине-зелёные, или цианобактерии), способны создавать органические вещества из неорганических. Они сыграли важную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли.

Бактерии впитывают вещества извне, разрывают их молекулы на части, из этих частей собирают свою оболочку и пополняют своё содержимое (так они растут), а ненужные молекулы выбрасывают наружу. Оболочка и мембрана бактерии позволяет ей впитывать только нужные вещества.

Если бы оболочка и мембрана бактерии были полностью непроницаемыми, в клетку не попали бы никакие вещества. Если бы они были проницаемыми для всех веществ, содержимое клетки перемешалось бы со средой — раствором, в которой обитает бактерия. Для выживания бактерии необходима оболочка, которая нужные вещества пропускает, а ненужные — нет.

Бактерия поглощает находящиеся близ неё питательные вещества. Что происходит потом? Если она может самостоятельно передвигаться (двигая жгутик или выталкивая назад слизь), то она перемещается, пока не найдёт необходимые вещества.

Если она двигаться не может, то ждёт, пока диффузия (способность молекул одного вещества проникать в гущу молекул другого вещества) не принесёт к ней необходимые молекулы.

Бактерии в совокупности с другими группами микроорганизмов выполняют огромную химическую работу. Превращая различные соединения, они получают необходимую для их жизнедеятельности энергию и питательные вещества. Процессы обмена веществ, способы добывания энергии и потребности в материалах для построения веществ своего тела у бактерий разнообразны.

Другие бактерии все потребности в углероде, необходимом для синтеза органических веществ тела, удовлетворяют за счёт неорганических соединений. Они называются автотрофами. Автотрофные бактерии способны синтезировать органические вещества из неорганических. Среди них различают:

Хемосинтез

Использование лучистой энергии — важнейший, но не единственный путь создания органического вещества из углекислого газа и воды. Известны бактерии, которые в качестве источника энергии для такого синтеза используют не солнечный свет, а энергию химических связей, происходящих в клетках организмов при окислении некоторых неорганических соединений — сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотной кислоты, закисных соединений железа и марганца. Образованное с использованием этой химической энергии органическое вещество они используют для построения клеток своего тела. Поэтому такой процесс называют хемосинтезом.

Важнейшую группу хемосинтезирующих микроорганизмов составляют нитрифицирующие бактерии. Эти бактерии живут в почве и осуществляют окисление аммиака, образовавшегося при гниении органических остатков, до азотной кислоты. Последняя, реагирует с минеральными соединениями почвы, превращаются в соли азотной кислоты. Этот процесс проходит в две фазы.

Железобактерии превращают закисное железо в окисное. Образованная гидроокись железа оседает и образует так называемую болотную железную руду.

Некоторые микроорганизмы существуют за счёт окисления молекулярного водорода, обеспечивая тем самым автотрофный способ питания.

Характерной особенностью водородных бактерий является способность переключаться на гетеротрофный образ жизни при обеспечении их органическими соединениями и отсутствии водорода.

Таким образом, хемоавтотрофы являются типичными автотрофами, так как самостоятельно синтезируют из неорганических веществ необходимые органические соединения, а не берут их в готовом виде от других организмов, как гетеротрофы. От фототрофных растений хемоавтотрофные бактерии отличаются полной независимостью от света как источника энергии.

Бактериальный фотосинтез

Некоторые пигментосодержащие серобактерии (пурпурные, зелёные), содержащие специфические пигменты — бактериохлорофиллы, способны поглощать солнечную энергию, с помощью которой сероводород в их организмах расщепляется и отдаёт атомы водорода для восстановления соответствующих соединений. Этот процесс имеет много общего с фотосинтезом и отличается только тем, что у пурпурных и зелёных бактерий донором водорода является сероводород (изредка — карбоновые кислоты), а у зелёных растений — вода. У тех и других отщепление и перенесение водорода осуществляется благодаря энергии поглощённых солнечных лучей.

Такой бактериальный фотосинтез, который происходит без выделения кислорода, называется фоторедукцией. Фоторедукция углекислого газа связана с перенесением водорода не от воды, а от сероводорода:

6СО 2 +12Н 2 S+hv → С6Н 12 О 6 +12S=6Н 2 О

Биологическое значение хемосинтеза и бактериального фотосинтеза в масштабах планеты относительно невелико. Только хемосинтезирующие бактерии играют существенную роль в процессе круговорота серы в природе. Поглощаясь зелёными растениями в форме солей серной кислоты, сера восстанавливается и входит в состав белковых молекул. Далее при разрушении отмерших растительных и животных остатков гнилостными бактериями сера выделяется в виде сероводорода, который окисляется серобактериями до свободной серы (или серной кислоты), образующий в почве доступные для растения сульфиты. Хемо- и фотоавтотрофные бактерии имеют существенное значение в круговороте азота и серы.

Спорообразование

Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий.

Споры — не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий — это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях.

Размножение

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее.

После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес — 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.

Бактерия (1), поглотившая достаточно пищи, увеличивается в размерах (2) и начинает готовиться к размножению (делению клетки). Её ДНК (у бактерии молекула ДНК замкнута в кольцо) удваивается (бактерия производит копию этой молекулы). Обе молекулы ДНК (3,4) оказываются, прикреплены к стенке бактерии и при удлинении бактерии расходятся в стороны (5,6). Сначала делится нуклеотид, затем цитоплазма.

После расхождения двух молекул ДНК на бактерии появляется перетяжка, которая постепенно разделяет тело бактерии на две части, в каждой из которых есть молекула ДНК (7).

Бывает (у сенной палочки), две бактерии слипаются, и между ними образуется перемычка (1,2).

По перемычке ДНК из одной бактерии переправляется в другую (3). Оказавшись в одной бактерии, молекулы ДНК сплетаются, слипаются в некоторых местах (4), после чего обмениваются участками (5).

Роль бактерий в природе

Круговорот

Бактерии — важнейшее звено общего круговорота веществ в природе. Растения создают сложные органические вещества из углекислого газа, воды и минеральных солей почвы. Эти вещества возвращаются в почву с отмершими грибами, растениями и трупами животных. Бактерии разлагают сложные вещества на простые, которые снова используют растения.

Бактерии разрушают сложные органические вещества отмерших растений и трупов животных, выделения живых организмов и разные отбросы. Питаясь этими органическими веществами, сапрофитные бактерии гниения превращают их в перегной. Это своеобразные санитары нашей планеты. Таким образом, бактерии активно участвуют в круговороте веществ в природе.

Почвообразование

Поскольку бактерии распространены практически повсеместно и встречаются в огромном количестве, они во многом определяют различные процессы, происходящие в природе. Осенью опадают листья деревьев и кустарников, отмирают надземные побеги трав, опадают старые ветки, время от времени падают стволы старых деревьев. Всё это постепенно превращается в перегной. В 1 см 3 . поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов сапрофитных почвенных бактерий нескольких видов. Эти бактерии превращают перегной в различные минеральные вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений.

Некоторые почвенные бактерии способны поглощать азот из воздуха, используя его в процессах жизнедеятельности. Эти азотофиксирующие бактерии живут самостоятельно или поселяются в корнях бобовых растений. Проникнув в корни бобовых, эти бактерии вызывают разрастание клеток корней и образование на них клубеньков.

Эти бактерии выделяют азотные соединения, которые используют растения. От растений бактерии получают углеводы и минеральные соли. Таким образом, между бобовым растением и клубеньковыми бактериями существует тесная связь, полезная как одному, так и другому организму. Это явление носит название симбиоза.

Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями бобовые растения обогащают почву азотом, способствуя повышению урожая.

Распространение в природе

Микроорганизмы распространены повсеместно. Исключение составляют лишь кратеры действующих вулканов и небольшие площадки в эпицентрах взорванных атомных бомб. Ни низкие температуры Антарктики, ни кипящие струи гейзеров, ни насыщенные растворы солей в соляных бассейнах, ни сильная инсоляция горных вершин, ни жёсткое облучение атомных реакторов не мешают существованию и развитию микрофлоры. Все живые существа постоянно взаимодействуют с микроорганизмами, являясь часто не только их хранилищами, но и распространителями. Микроорганизмы — аборигены нашей планеты, активно осваивающие самые невероятные природные субстраты.

Микрофлора почвы

Количество бактерий в почве чрезвычайно велико — сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв.

На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков.

Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора — один из факторов образования почв.

Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, — ризосферной микрофлорой.

Микрофлора водоёмов

Вода — природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается.

Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая — 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные.

По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.

Микрофлора воздуха

Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий, которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.

Микрофлора организма человека

Тело человека, даже полностью здорового, всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками — прекрасная среда для развития микроорганизмов.

Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном шаре.

Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце, печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы попадают только во время болезни.

Бактерии в круговороте веществ

Микроорганизмы вообще и бактерии в частности играют большую роль в биологически важных круговоротах веществ на Земле, осуществляя химические превращения, совершенно недоступные ни растениям, ни животным. Различные этапы круговорота элементов осуществляются организмами разного типа. Существование каждой отдельной группы организмов зависит от химического превращения элементов, осуществляемого другими группами.

Круговорот азота

Циклическое превращение азотистых соединений играет первостепенную роль в снабжении необходимыми формами азота различных по пищевым потребностям организмов биосферы. Свыше 90% общей фиксации азота обусловлено метаболической активностью определённых бактерий.

Круговорот углерода

Биологическое превращение органического углерода в углекислый газ, сопровождающееся восстановлением молекулярного кислорода, требует совместной метаболической активности разнообразных микроорганизмов. Многие аэробные бактерии осуществляют полное окисление органических веществ. В аэробных условиях органические соединения первоначально расщепляются путём сбраживания, а органические конечные продукты брожения окисляются далее в результате анаэробного дыхания, если имеются неорганические акцепторы водорода (нитрат, сульфат или СО 2).

Круговорот серы

Для живых организмов сера доступна в основном в форме растворимых сульфатов или восстановленных органических соединений серы.

Круговорот железа

В некоторых водоёмах с пресной водой содержатся в высоких концентрациях восстановленные соли железа. В таких местах развивается специфическая бактериальная микрофлора — железобактерии, окисляющие восстановленное железо. Они участвуют в образовании болотных железных руд и водных источников, богатых солями железа.

Бактерии являются самыми древними организмами, появившимися около 3,5 млрд. лет назад в архее. Около 2,5 млрд. лет они доминировали на Земле, формируя биосферу, участвовали в образовании кислородной атмосферы.

Бактерии являются одними из наиболее просто устроенных живых организмов (кроме вирусов). Полагают, что они - первые организмы, появившиеся на Земле.

Невероятные факты

Одна только мысль о том, что триллионы бактерий живут на нашей коже и в нашем теле наводит на некоторых жуть.

"Но так, как человек не может прожить без углерода, азота, защиты от заболеваний, он также не может жить без бактерий ", - рассказывает микробиолог и автор книги "Союзники и враги: как мир зависит от бактерий" Анна Макзулак (Anne Maczulak).

Большинство людей узнают о бактериях только в контексте определенных заболеваний, что естественным образом сказывается на человеческом негативном отношении к ним. "Сейчас самое время подумать о том, как они помогают нам, потому что это очень сложный, многоступенчатый процесс", - добавила Макзулак.

Крошечные властелины

В почве и океане бактерии – это основные игроки, принимающие активное участие в разложении органического вещества и круговороте химических элементов, таких как углерод и азот, которые необходимы для жизни человека. В связи с тем, что растения и животные не могут создавать некоторые из молекул азота, мы должны жить, при этом почвенные бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) играют абсолютно незаменимую роль в превращении атмосферного азота в те формы азота, которые растения могут поглощать, тем самым, создавая аминокислоты и нуклеиновые кислоты, которые, в свою очередь, являются строительными блоками ДНК. Мы питаемся растительной пищей и тем самым пожинаем плоды всего этого процесса.

Бактерии также играют роль в циркуляции и другого не менее важного компонента для жизни человека. Это вода. За последние годы ученым университета Луизианы удалось обнаружить доказательства того, что бактерии являются основной составной частью многих, если не большинства крошечных частиц, которые провоцируют в облаках создание снега и дождя.

Бактерии и человеческое тело

На человеческом теле и внутри него бактерии играют не менее важную роль. При работе пищеварительной системы, они помогают нам в переваривании пищи, так как мы не в состоянии это делать самостоятельно. "Мы получаем намного больше полезных веществ из пищи, которую употребляем именно благодаря бактериям", - отмечает Макзулак.

Бактерии, находящиеся в пищеварительной системе, предоставляют нам необходимые витамины, такие, как биотин и витамин К, а также являются нашими главными источниками питательных веществ. Эксперименты, проводимые на морских свинках, показали, что животные, выращенные в стерильных условиях без бактерий, постоянно недоедали и умирали молодыми.

Согласно Макзулак, бактерии, находящиеся на поверхности кожи (около 200 видов у обычного здорового человека, по данным исследователей из университета Нью-Йорка), активно контактируют друг с другом, обеспечивая тем самым нормальную работу организма. Также важно отметить, что как внешние, так и внутренние бактерии, оказывают огромное воздействие на формирование и развитие иммунной системы.

Как утверждает микробиолог из университета штата Колорадо Джеральд Каллахан (Gerald Callahan), от активности как полезных, так и вредных бактерий – это именно то, от чего в последствии зависит как отреагирует иммунная система на патогенные изменения в организме. Исследование, опубликованное в медицинском журнале New England Journal, также подтвердило, что дети, которые растут в условиях, защищенных от бактерий, имеют более высокий риск развития астмы и аллергии.

Но все же это не означает, что полезные бактерии не могут быть опасными. Как говорит Макзулак, обычно, полезные и вредные бактерии – это нечто взаимоисключающее. Но иногда ситуация оборачивается совсем по-другому. "Бактерия стафилококка является ярким тому примером, потому что ее дом обитания – это вся наша кожа", - объясняет Макзулак. Целые колонии золотистого стафилококка, живущие, к примеру, на нашей руке, могут спокойно сосуществовать с человеком без ущерба для здоровья, но стоит вам только порезаться или каким-либо другим способом скомпрометировать вашу иммунную систему, то бактерии тут же могут начать буйствовать, тем самым, вызвав развитие инфекции.

Количество бактерий в организме человека превышает количество клеток человека в 10 раз. "Это немного жутко, но это поможет нам представить, какую роль играют эти организмы".

Новое исследование раскрывает удивительный факт о многочисленных типах бактерий кишечника, которые могут вырабатывать электричество. Электрогенные бактерии - это бактерии, которые способны вырабатывать определенное количество электричества. Исследователи во главе с профессором Дэном Портным (Dan Portnoy) опубликовали свое открытие в журнале Nature.

Бактерии и электричество

До сих пор электрогенные бактерии были обнаружены в довольно специфических природных средах, таких как осадки различных водоемов. Эти среды обычно анаэробные - не содержат свободного кислорода. Впервые исследователи из Калифорнийского университета (University of California) в Беркли обнаружили, что сотни различных бактерий в кишечнике человека также являются электрогенными. К ним относятся многие виды бактерий, от патогенных, которые способны вызывать заболевания, до пробиотических, которые способствуют здоровью кишечника. Однако эти кишечные бактерии производят электричество, используя другой механизм.

Патогены, вырабатывающие электричество

Ученые идентифицировали электрогенерирующие бактерии, ими являются Listeria monocytogenes (общий виновник диареи), Clostridium perfringens (вызывает гангрену) и Enterococcus faecalis (патоген, приобретаемый во время пребывания в больнице). Однако, многие другие вырабатывающие электричество бактерии в кишечнике являются не патогенами. Некоторые из них являются пробиотиками.

«Тот факт, что так много бактерий, которые взаимодействуют с людьми, либо в качестве патогенов, либо являющиеся пробиотиками, либо участвующие в ферментации, являются электрогенными - было упущено раньше», - говорит автор исследования. «Это может многое рассказать нам о том, как эти бактерии заражают нас или помогают нам иметь здоровый кишечник».

Что нам даст это открытие?

Ученые ожидают, что их неожиданная находка также может быть полезна в будущих проектах, направленных на создание микробных топливных элементов, инновационной стратегии для производства возобновляемой энергии.

Исследователи объясняют, что бактерии вырабатывают электричество как часть их метаболизма - процесс, который они сравнивают с дыханием. Однако, в то время как организмы, такие как растения и животные, которые живут в богатых кислородом средах, используют кислород, чтобы помочь им в метаболизме, бактерии, которые проживают в анаэробных средах, должны использовать другие химические элементы. Так, бактерии, которые обитают на дне озер, обычно используют минералы, такие как железо или марганец, во время своего сложного метаболического процесса, тем самым вырабатывая электричество. Однако у электрогенных бактерий, обитающих в кишечнике, электрогенерирующий процесс проще, и они используют органическое соединение, известное как флавин, который является производным витамина B2.

«Похоже, что клеточная структура этих бактерий и богатая витаминами экологическая ниша, которую они занимают, значительно облегчает и делает более рентабельным перенос электронов из клетки», - объясняет автор первого исследования Сэм Лайт (Sam Light). Сколько вырабатывают энергии кишечные бактерии?

Исследователи провели дополнительные тесты, чтобы узнать, сколько электричества способны вырабатывать эти кишечные бактерии. Они обнаружили, что кишечные бактерии вырабатывают почти столько же электричества, сколько и другие электрогенные бактерии: до 100 000 электронов в секунду на клетку.

В частности, ученые с удивлением обнаружили, что лактобацилла, которая играет роль в ферментации и используется для приготовления сыра, йогурта и квашеной капусты, также обладает электрогенными свойствами.

Теперь ученые задаются вопросом, имеют ли эти свойства вообще отношение ко вкусу, который лактобацилла создает в пищевых продуктах, полученных путем ферментации.

«Это целая большая часть физиологии бактерий, о существовании которых люди не подозревали и которыми можно манипулировать», - заключает Лайт.

Бактерии – это группа простейших микроорганизмов, относящаяся к царству прокариот (не имеют ядра). В биологии насчитывают около 10,5 тысячи видов бактерий. Главные отличия между ними – это форма, строение и способ жизнедеятельности. Основные формы:

• палочковидные (бациллы, клостридии, псевдомонады);
• сферические (кокки);
• спиралевидные (спириллы, вибрионы).

Принято считать, что микроорганизмы были первыми жителями на планете Земля. По роду жизнедеятельности представители царства прокариот распространены повсюду (в почве, воздухе, воде, живых организмах), они устойчивы к высоким и низким температурам. Единственными местами, где нет живых прокариотов, являются кратеры вулканов и местности, приближенные к эпицентру взрыва атомной бомбы.

В экологии бактерии царства прокариот служат для фиксации азота и минерализации органических остатков в почве. Подробнее об этих функциях:

• Фиксация азота – это жизненно важный процесс для экологии в целом. Ведь растения без азота (N 2) не выживут. Но в чистом виде он не усваивается, а лишь в соединениях с аммиаком (NHO 3) – бактерии способствуют этому связыванию.
• Минерализация (гниение) – это процесс разложения органических останков до СО2 (диоксида углерода), Н 2 О (воды) и минеральных солей. Для протекания этого процесса требуется достаточное количество кислорода, так как, по сути, разложение можно приравнять к горению. Органические вещества, попав в почву, окисляются за счет функций бактерий и грибков.

В природе существует еще один биологический процесс – денитрификация. Это восстановление нитратов до молекул азота при одновременном окислении до СО 2 и Н 2 О органических составляющих. Главной функцией денитрифицирующего процесса является выделение NO 3 .

Для получения хорошего урожая аграрии всегда стараются удобрить почву перед новым посевом. Зачастую это делается с помощью смеси навоза и сена. Через некоторое время после внесения удобрения оно перегнивает и взрыхляет почву – так в нее попадают питательные вещества. Это результат работы бактериальных клеток, ведь процесс гниения – это тоже их функция.

Без специального приспособления, невооруженным взглядом, микроорганизмы просто так не увидишь в почве, но их там содержатся миллионы. Для примера, на одном гектаре поля в верхнем слое почвы находится до 450 кг микроорганизмов.

Выполняя свои основные функции, бактерии обеспечивают плодородие почвы и выделение углекислого газа, крайне необходимого для фотосинтеза растений.

Бактерии и человек

Жизнь человека, как и растений, невозможна без бактерий, ведь невидимые микроорганизмы заселяются в человеческий организм с первым глотком воздуха после рождения. Учеными доказано, что в организме взрослого человека насчитывается до 10000 различных видов бактерий, а в перерасчете на вес это достигает 3 кг.

Основное расположение прокариотов – в кишечнике, меньше их в мочеполовых путях и на коже. 98% «наших» бактерий имеют полезные функции, а 2% – вредоносны. Крепкий иммунитет человека обеспечивает баланс между ними. Но стоит иммунитету ослабнуть, как вредные бактериальные клетки начинают усиленно размножаться, вследствие чего проявляется болезнь.

Полезные прокариоты в организме

Иммунитет человека напрямую зависит от бактерий, заселенных в кишечник. Роль полезных бактерий велика, ведь они расщепляют непереваренные остатки еды, поддерживают водно-солевой обмен, помогают в выработке иммуноглобулина А, борются с патогенными бактериями и грибками.

Основные функции бактерий – это обеспечение сбалансированной микрофлоры кишечника, за счет которой и осуществляется нормальная работа иммунитета человека. Благодаря современным достижениям биологии стали известны такие полезные прокариоты, как бифидобактерии, лактобактерии, энтерококки, кишечная палочка и бактероиды. Они должны заселять кишечную среду на 99%, а на оставшийся 1% приходятся бактерии патогенной флоры (стафилококк, синегнойная палочка и другие).

• Бифидобактерии вырабатывают ацетат и молочную кислоту. В результате они закисляют свою среду обитания, тем самым подавляя размножение патогенных прокариотов, которые создают процессы гниения и брожения. Помогают усвоению нужного количества витамина D, кальция и железа, имеют антиоксидантный эффект. Также бифидобактерии очень важны для новорожденных детей – они снижают риск появления пищевой аллергии.
• Кишечная палочка вырабатывает колицин – это вещество, которое подавляет размножение вредоносных микробов. За счет функций кишечной палочки происходит синтез витаминов К, группы В, фолиевой и никотиновой кислоты.
• Энтеробактерии необходимы для восстановления микрофлоры кишечника после пройденного курса приема антибиотиков.
• Функции лактобактерий направлены на образование антимикробного вещества. Тем самым уменьшают рост условно-патогенных и гнилостных прокариотов.

Вредные бактерии

Вредные микробы попадают в организм через воздух, пищу, воду и контактным способом. Если иммунитет ослаблен, то они вызывают различные заболевания. К числу самых распространенных вредных прокариотов относятся:

• Стрептококки групп А, В – населяют полость рта, кожу, носоглотку, половые органы, толстый кишечник. Снижают развитие полезных бактерий, соответственно, и иммунитет. Становятся главной причиной инфекционных болезней.
• Пневмококки – являются причиной возникновения бронхита, пневмоний, синусита и отита, менингита.
• Микробы гингивалис – в основном находятся в полости рта, вызывают заболевание периодонтит.
• Стафилококк – распространяется во всем организме человека, при снижении иммунитета и влиянии других факторов проявляется в заболеваниях кожи, костей, суставов, мозга, толстого кишечника и внутренних органов.

Микроорганизмы в толстом кишечнике

Микрофлора толстого кишечника меняется в зависимости от потребляемой человеком пищи, поэтому микробы могут вытеснять друг друга. С гнилостными бактериями можно бороться за счет молочнокислых микроорганизмов.

Вредная пища нарушает функции «хороших» микроорганизмов в кишечнике

Человек живет с бактериями с самого рождения – очень крепка взаимосвязь микро- и макроорганизма. Поэтому для хорошего здоровья необходимо четко соблюдать баланс между полезными и вредными бактериями. Это сделать легко, придерживаясь личной гигиены и правильного питания.