Как человек, дышащий и читающий, вы прямо сейчас получаете пользу от бактерий.
От кислорода, который мы вдыхаем, до питательных веществ, которые наш желудок извлекает из пищи, мы должны благодарить бактерии за процветание на этой планете. В нашем организме микроорганизмы, включая бактерии, превосходят по численности наши собственные человеческие клетки в соотношении 10 к 1, что делает нас больше микробами, чем людьми.
Мы только недавно начали полностью понимать эти микроскопические организмы и их влияние на нашу планету и здоровье, но история говорит о том, что наши предки много веков назад использовали силу бактерий для ферментации продуктов питания и напитков (пиво и хлеб, кто угодно?).
Только в 17 веке мы начали рассматривать бактерии с близкого расстояния и в таком же близком и личном месте - во рту человека. Вечно любопытный Антон ван Левенгук обнаружил бактерии, исследуя образец зубного налета между собственными зубами. Он поэтичен в своих произведениях, описывая бактериальную колонию на своих жемчужно-белых пятнах как «маленькое белое вещество, такое густое, как будто это жидкое тесто». Поместив образец под составной микроскоп, ван Левенгук увидел, что микробы двигаются. Он живой!
Действительно, бактерии изменили правила игры на Земле, сыграв ключевую роль в создании пригодного для дыхания воздуха и биологически богатой планеты, которую мы называем домом.
В этой статье мы дадим вам общую картину об этих крошечных, но влиятельных микроорганизмах. Мы рассмотрим хорошие, плохие и совершенно причудливые способы, которыми бактерии повлияли на историю человечества и нашу окружающую среду. Для начала мы расскажем вам, чем бактерии отличаются от других видов жизни.
Основы бактерий
Если одна бактерия не видна невооруженным глазом, откуда мы можем так много о ней знать?
Ученые разработали мощные микроскопы для увеличения бактерий - обычно от одного до нескольких микрон (одна миллионная метра) в длину, что дает нам возможность заглянуть в их внутреннюю работу и сравнить их с другими формами жизни такие как растения, животные, вирусы и грибы.
Как вы, возможно, уже знаете, клетки действуют как строительные блоки жизни, независимо от того, составляют ли они наши собственные ткани или ветку дерева за вашим окном. У людей, животных и растений есть клетки с генетической информацией, содержащейся в мембране типаядраЭти типы клеток, называемыеэукариотические клетки, имеют специализированные органеллы, каждая из которых выполняет уникальную функцию, поддерживая работу и здоровье клетки.
У бактерий, однако, отсутствует ядро, и их генетический материал, или ДНК, свободно плавает внутри клетки. Эти микроскопические клетки не имеют органелл и обладают различными методами воспроизведения и обмена генетическим материалом. Бактерии классифицируются какпрокариотические клетки.
Основные категории в стороне, ученые также распределяют бактерии по разным лагерям на основе:
- Выживают ли бактерии в среде с кислородом или без него
- Их форма, включая палочки (бациллы), круги (кокки) или спирали (спириллы)
- Являются ли бактерии грамотрицательными или грамположительными, которые представляют собой тесты с окрашиванием, которые дают представление о составе внешней защитной стенки клетки
- Как бактерии передвигаются и ориентируются в своей среде (у многих бактерий есть жгутики, крошечные хлыстообразные структуры, которые двигают их в своей среде.)
Микробиология - изучение всех различных типов микробов, включая бактерии, археи, грибки, вирусы и простейшие, - использовала растущий объем знаний для дальнейшего отличия бактерий от их микробных собратьев.
Сходные прокариотические организмы, которые теперь классифицируются как археи, ранее объединялись с бактериями, но после того, как исследователи узнали о них больше, они выделили микробам в археях отдельную категорию из-за их сходства с эукариотическими клетками.
Микробная пища (и миазмы)
Бактерии, как и люди, растения и животные, нуждаются в пище, чтобы выжить.
Некоторые бактерии являютсяавтотрофами, что означает, что они используют основные ресурсы, такие как солнечный свет, вода и химические вещества из окружающей среды, для создания пищи (вспомните цианобактерии, которые превращают солнечный свет в кислород для примерно 2,5 миллиона лет). Другие бактерии исследователи называютгетеротрофами, потому что они получают энергию из существующих органических веществ для питания (вспомните мертвые листья на лесной подстилке).
Правда в том, что то, что может быть аппетитно для бактерий, вероятно, отталкивает нас. Они эволюционировали, чтобы процветать на самых разных вещах, от разливов нефти и побочных продуктов ядерной деятельности до человеческих отходов и разлагающихся веществ.
Но склонность бактерий к определенному источнику пищи может принести пользу обществу. Например, искусствоведы в Италии обратились к бактериям, чтобы избавиться от лишнего слоя соли и клея, угрожающих долговечности бесценных произведений искусства. Способность бактерий перерабатывать органические вещества также пригодится, особенно если учесть их огромную роль в переработке земной поверхности - как в почве, так и в воде.
В повседневной жизни вы, возможно, слишком хорошо знакомы с вызывающими запах эффектами голодных бактерий из-за того странного запаха в вашем мусорном баке, когда они поглощают ваши остатки, расщепляя их и выпуская свои собственные газообразные побочные продукты.. Однако это не останавливается на достигнутом. У вас также есть бактерии, виноватые в тех моментах, вызывающих природу (да, метеоризм), когда бактерии в вашем кишечнике выделяют дурно пахнущий метан во время пищеварения.
Одна большая семья
Бактерии растут и образуют колонии, когда им предоставляется возможность. Если пища и условия окружающей среды благоприятны, они будут размножаться и образовывать липкие скопления, называемыебиопленками, чтобы выживать на различных поверхностях, от камней в ручье до коренных зубов во рту.
Биопленки имеют свои преимущества и проблемы. С одной стороны, они являются взаимовыгодными игроками по своей природе. С другой стороны, они могут представлять серьезную угрозу. Например, врачи, лечащие пациентов с медицинскими имплантатами и устройствами, особенно обеспокоены биопленками, потому что эти поверхности являются основной недвижимостью для бактерий. После колонизации биопленки могут производить побочные продукты, токсичные и даже смертельные для человеческого организма.
Как и люди в городах, клетки в биопленках общаются друг с другом, отправляя сообщения для обмена информацией о наличии пищи и потенциальных опасностях. Но вместо того, чтобы звонить своим соседям по телефону, бактерии посылают сообщения ближайшим друзьям с помощью химических веществ.
Но и бактерии не боятся летать в одиночку. На самом деле, некоторые виды научились выживать в суровых условиях. Когда еды не остается или условия ухудшаются, эти бактерии сохраняют себя, создавая прочную оболочку, называемуюэндоспорой, переводя клетку в спящее состояние, которое сохраняет генетический материал бактерии..
Один ученый даже обнаружил бактерии в капсуле времени, которая была обнаружена и исследована 100 лет спустя, в то время как другие группы ученых обнаружили бактерии, датируемые 250 миллионами лет назад. Все это доказывает, что бактерии могут сохраняться в течение длительного времени.
Теперь, когда мы знаем, что бактерии могут стать колонизаторами, давайте посмотрим, как они попадают туда путем деления и размножения.
Бактериальное размножение
Как бактерии создают колонии?
Бактерии, как и другие формы жизни на Земле, должны создавать копии самих себя, чтобы выжить. В то время как люди и другие организмы делают это посредством полового размножения, с бактериями это происходит немного по-другому.
Но сначала мы обсудим, почему разнообразие - это хорошо.
Жизнь подвергаетсяестественному отбору, или силам отбора в данной среде, которые позволяют одному типу процветать и воспроизводить больше. Как вы, возможно, помните из уроков биологии, гены - это единицы, которые инструктируют клетку, что делать - сделать ли ваши волосы каштановыми или светлыми, а глаза - зелеными или голубыми. Вы получаете гены от обоих родителей, которые обеспечивают хорошее сочетание. Кроме того, половое размножение вызываетмутации, или случайные изменения в ДНК, что создает разнообразие. Чем большее генетическое разнообразие можно использовать, тем больше вероятность того, что организм сможет адаптироваться к ограничениям окружающей среды.
Для бактерий размножение не сводится к встрече с нужным микробом и его укоренению; это просто репликация собственной ДНК и деление на две идентичные клетки. Этот процесс, называемыйбинарным делением, происходит, когда одна бактерия расщепляется на две после репликации своей ДНК и перемещает генетический материал в противоположные концы клетки.
Поскольку полученная клетка генетически идентична той, из которой она получена, этот метод размножения не совсем лучший способ создать разнообразный генофонд.
Так как же бактерии получают новые гены?
Оказывается, бактерии используют уловки, чтобы выполнить свою работу, в результате чего получаетсягоризонтальный перенос генов, или обмен генетическим материалом без размножения. Есть несколько способов, которыми бактерии могут это сделать. Один метод включает сбор генетического материала из окружающей среды вне клетки, опираясь на другие микробы и бактерии (через молекулы, называемые плазмидами). Другой результат - вирусы, которые используют бактерии в качестве хозяев. Заражая новые бактерии, вирусы случайно оставляют генетический материал предыдущих бактерий в новой.
Обмен генетическим материалом дает бактериям гибкость для адаптации - и некоторые из них делают это, как только они чувствуют стрессовые изменения в окружающей среде, такие как нехватка пищи или химические изменения.
Понимание того, как бактерии адаптируются, чрезвычайно важно для понимания и борьбы с устойчивостью бактерий к антибиотикам в медицине. Бактерии могут так часто обмениваться генетическим материалом, что лечение, которое раньше работало, скорее всего, не сработает в следующий раз.
Теперь, когда мы внимательно рассмотрели, как бактерии работают на микроскопическом уровне, давайте сделаем шаг назад, чтобы увидеть, где вы их найдете в общей картине.
Не высокая гора, не низкая долина
Вопрос не в том, «Где бактерии?» а скорее "Где не бактерии?"
Они встречаются практически везде на Земле. Невозможно получить полное представление о количестве бактерий на планете одновременно, но некоторые оценки указывают на около 5 октиллионов микробов, таких как бактерии и археи - это 10 в 28-й степени!
Определить количество видов или классифицируемых типов бактерий также по-прежнему сложно. По одной оценке, официально идентифицировано около 30 000 видов, но ученые постоянно учатся и пополняют свою базу знаний и думают, что мы не смогли определить истинное количество видов.
Правда в том, что бактерии существуют очень-очень давно. Фактически, они дали начало некоторым из самых ранних известных окаменелостей, возраст которых составляет 3,5 миллиарда лет. Научные данные свидетельствуют о том, что цианобактерии начали вырабатывать кислород между 2,5 и 2,3 миллиарда лет назад в Мировом океане, что дало начало атмосфере Земли и изобилию кислорода, которым мы дышим.
Бактерии могут выжить в воздухе, воде, почве, льду и при сильной жаре; на растениях; и даже в нашем кишечнике, на нашей коже и на коже других животных.
Некоторые бактерии являютсяэкстремофилами, что означает, что они могут выдерживать экстремальные условия, будь то очень жарко или холодно, или в которых отсутствуют питательные вещества и химические вещества, которые мы обычно связываем с жизнью. Исследователи обнаружили бактерии в Марианской впадине, самом глубоком месте на Земле под Тихим океаном, а также в подводных обогреваемых жерлах и во льду.
Но веселье выходит за рамки исследователей в этой области. Туристы очарованы более красивой природной красотой бактерий в таких местах, как Опаловый бассейн в Йеллоустонском национальном парке, где ярко окрашены термофильные (теплолюбивые) бактерии, окрашивающие достопримечательность.
Хьюстон, у нас есть бактерии.
Бактерии, которые обычно не оказывают негативного влияния на здоровье человека, играют важную роль в формировании инфекций среди космонавтов в космосе. Чтобы лучше изучить влияние космического полета на бактерии, НАСА отправило микробы, которые обычно вызывают излечимые инфекции на Земле, в космос с помощью миссий Atlantis в 2010 и 2011 годах. Группа обнаружила, что сообщества этих бактерий могут формироваться способами, которых они не Земля, давая исследователям представление о том, как улучшить показатели здоровья космонавтов в космосе, а также людей на Земле.
Плохое (для нас)
Несмотря на то, что бактерии вносят доблестный вклад в здоровье людей и планеты, у них есть и темная сторона. Некоторые бактерии потенциально могут бытьпатогенными, то есть они могут вызывать болезни и заболевания.
На протяжении всей истории человечества некоторые бактерии (по понятным причинам) пользовались плохой репутацией, вызывая общественное беспокойство и истерию. Возьмем, к примеру, чуму. Бактерии, вызывающие чуму, Yersinia pestis, не только убили более 100 миллионов человек, но также предполагают, что они сформировали историю, даже способствуя краху Римской империи. До появления антибиотиков или лекарств, способных лечить бактериальные инфекции, инфекции было трудно остановить.
Даже сегодня эти патогенные бактерии по-прежнему тяготят нас. Бактерии, вызывающие ряд заболеваний - от сибирской язвы, пневмонии, менингита, холеры, сальмонеллы и острого фарингита до кишечной палочки и стафилококковых инфекций - могут не поддаваться лечению благодарярезистентности к антибиотикам
Это особенно верно для золотистого стафилококка, бактерии, вызывающей стафилококковые инфекции. «Супербактерия» создала огромные проблемы для больниц и медицинских клиник, где пациенты с большей вероятностью подвергаются ее воздействию во время медицинских имплантатов и установки катетеров.
В предыдущем разделе мы говорили о естественном отборе и о том, что некоторые бактерии имеют более разнообразные гены, помогающие справляться с тем, что им бросает окружающая среда. Если у вас есть инфекция, и некоторые бактерии в вашем организме отличаются от других, антибиотики могут позаботиться о большей части бактериальной популяции. Но это также дает микробам, не затронутым вашими антибиотиками, возможность размножаться и закрепляться. Вот почему врачи рекомендуют держаться подальше от антибиотиков, если они вам действительно не нужны.
Биологическое оружие - еще один пугающий аспект этого разговора. Бактерии могут быть использованы в качестве оружия в некоторых случаях, в том числе для отпугивания сибирской язвы и внедрения в аэрозольные баллончики.
И не только люди страдают от бактерий. Действительно, у бактерий есть аппетит даже к затонувшему океанскому лайнеру «Титаник». Вид, названный Halomonas titanicae, разъедает металл исторического корабля.
Мы узнали, какой вред могут нанести бактерии. В следующем разделе мы рассмотрим, как они могут нам помочь.
Бактерии и здоровье зубов
Смотрите, слизистое вещество, которое мы называем зубным налетом, на самом деле образовано бактериями. Если дать волю этим бактериям, они могут разъедать эмаль наших зубов, в конечном итоге вызывая у нас кариес. Археологи черпали знания из прошлого, изучая человеческие черепа и зубы, чтобы узнать больше о питании людей и их восприимчивости к болезням в разное время.
Бактерии как герои
Давайте рассмотрим положительные стороны бактерий. В конце концов, это микробы, которые приносят нам вкусные продукты, такие как сыр, пиво, закваска и другие ферментированные продукты. Они также являются незамеченными героями медицины и улучшения здоровья человека.
Мы также должны благодарить бактерии за формирование человеческой эволюции. Наука собирает больше информации измикробиоты или микроорганизмов, обитающих в наших собственных телах, особенно в нашей пищеварительной системе и кишечнике. Исследования показывают, что бактерии, а также разнообразие и новые генетические материалы, которые они приносят в наш организм, позволили людям адаптироваться и использовать новые источники пищи, которые они раньше не могли использовать.
Посмотрите на это так: Бактерии, выстилающие поверхности вашего желудка и кишечника, «работают» на вас. Когда вы едите, бактерии и другие микробы помогают вам расщеплять и извлекать питательные вещества из продуктов, особенно углеводов, таких как кукуруза, картофель, хлеб и рис. Чем более разнообразны бактерии, которые мы потребляем и подвергаемся воздействию, тем больше они способствуют этому разнообразному сообществу в нашем организме.
Хотя наши знания о наших собственных микробных сообществах в лучшем случае только зарождаются, есть данные, свидетельствующие о том, что недостаток определенных микробов и бактерий в организме может быть связан со здоровьем человека, метаболизмом и восприимчивостью к аллергенам и болезням. Предварительные исследования на мышах показывают, что метаболические заболевания, такие как ожирение, связаны с разнообразием и здоровьем микробиома, а не с нашим преобладающим подходом «калории на входе - калории на выходе».
Также на ранних стадиях фекальные трансплантаты, включающие обмен фекальными микроорганизмами от здорового человека к другому человеку, кажутся перспективными. Да, это может быть не лучший мысленный образ, но наука и возможности лечения определенных желудочно-кишечных заболеваний выглядят многообещающе. Проводятся исследования пробиотиков, микробов, которые, как считается, приносят дополнительную пользу для здоровья, но общие рекомендации по их использованию не были разработаны по состоянию на ноябрь 2014 года.
Кроме того, бактерии изменили правила игры в развитии научного мышления и медицины человека. Бактерии сыграли ведущую роль в разработке постулатов Коха в 1884 году, ряда соображений, которые связывают данный микроб с болезнью.
Помимо прочего, исследователи, изучающие бактерии, по счастливой случайности открыли пенициллин - антибиотик, спасший бесчисленное количество жизней, а совсем недавно - более простой способ редактирования геномов организмов, который может произвести революцию в медицине. Исследователи модифицировали бактерии, чтобы они приносили пользу здоровью человека во многих отношениях, включая производство инсулина для лечения диабета.
Мы только начали понимать все, что можем узнать от наших друзей-бактерий.
Часто задаваемые вопросы
Что такое бактерии и как они работают?
Бактерии - это одноклеточные микроорганизмы, которые могут жить в самых разных средах обитания. Их можно найти в воздухе, в почве и в воде. Некоторые бактерии живут в организме человека и могут вызывать заболевания.
Примечание автора: как работают бактерии
Несмотря на свой статус «безмозглых» микробов, бактерии ведут себя удивительным образом. Дайте им препятствие, и они, скорее всего, найдут способ его обойти. Антибиотики на родине? Они меняют гены, чтобы лучше выжить. Недостаточно еды? Не беспокойтесь, они могут поймать немного Zzzs и уйти в спячку. Мы только начинаем узнавать секреты бактерий, и общая картина становится ясной: широта сложной жизни кишит прямо у нас под носом (и в них тоже).