Бактерии: строение, классификация и роль¶

Бактерии (от др.-греч. βακτήριον — «палочка») — домен одноклеточных прокариотических микроорганизмов, не имеющих оформленного ядра и мембранных органелл. Это одна из древнейших и наиболее распространённых форм жизни на Земле: бактериальные клетки были обнаружены в породах возрастом более 3,5 млрд лет. Бактерии присутствуют практически во всех средах — в почве, воде, воздухе, внутри и на поверхности других организмов, включая человека.

¶Строение клетки

Бактериальная клетка устроена проще эукариотической:

• Нуклеоид — кольцевая молекула ДНК, не отделённая мембраной от цитоплазмы; несёт основную генетическую информацию.
• Плазмиды — небольшие внехромосомные кольцевые ДНК, часто обеспечивающие устойчивость к антибиотикам.
• Цитоплазматическая мембрана и клеточная стенка (у большинства — из пептидогликана, муреина).
• Рибосомы 70S-типа, отличающиеся от эукариотических 80S.
• Жгутики (для движения), пили и фимбрии (для прикрепления и обмена генетическим материалом).
• У части видов — капсула и споры, обеспечивающие устойчивость к неблагоприятным условиям.

Средние размеры — от 0,5 до 5 мкм; самые крупные представители (например, Thiomargarita namibiensis) достигают 0,7 мм.

¶Классификация

Долгое время бактерий относили к растениям, затем выделили в отдельное царство. Современная систематика, основанная на сравнении последовательностей рибосомной РНК, разделяет прокариот на два домена: Bacteria (собственно бактерии) и Archaea (археи). Ранее выделяли также домен Eucarya.

По окраске по методу Грама бактерии делят на:

По форме различают кокки (шаровидные), бациллы (палочковидные), спириллы и спирохеты (спиралевидные), вибрионы (изогнутые). По типу питания — автотрофы и гетеротрофы; по отношению к кислороду — аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы.

¶Размножение и генетика

Основной способ размножения — бинарное деление: клетка удваивает ДНК и делится на две дочерние. При благоприятных условиях деление происходит каждые 20–30 минут, что обеспечивает экспоненциальный рост колонии. Помимо бесполого деления, бактерии обмениваются генетической информацией тремя путями:

• трансформация — поглощение свободной ДНК из среды;
• конъюгация — перенос плазмиды через цитоплазматический мостик;
• трансдукция — перенос ДНК бактериофагом.

Эта «горизонтальная» передача генов ускоряет эволюцию и распространение полезных признаков, в том числе устойчивости к антибиотикам.

¶Роль в природе

Бактерии — ключевое звено биогеохимических циклов:

• Азотфиксация: клубеньковые бактерии (Rhizobium) переводят атмосферный азот в усвояемые формы.
• Круговорот углерода: разложение органики, брожение, метаногенез.
• Круговорот серы и железа: серобактерии и железобактерии.
• Фотосинтез: цианобактерии — первые фотосинтезирующие организмы, обогатившие атмосферу кислородом.

¶Значение для человека

Патогенные бактерии вызывают туберкулёз (Mycobacterium tuberculosis), холеру (Vibrio cholerae), чуму (Yersinia pestis), сибирскую язву, дифтерию, столбняк и другие заболевания. Борьба с ними ведётся антибиотиками, вакцинами и санитарными мерами; растущая антибиотикорезистентность — одна из глобальных проблем медицины.

Полезные бактерии широко применяются:

• в пищевой промышленности — молочнокислые бактерии для йогурта, сыра, квашения;
• в биотехнологии — синтез инсулина, ферментов, витаминов;
• в сельском хозяйстве — биопрепараты для повышения плодородия;
• в очистке сточных вод и биоремедиации загрязнений.

Микробиота человека — совокупность бактерий кожи, кишечника, ротовой полости — участвует в пищеварении, синтезе витаминов и защите от патогенов.

¶Методы изучения

Бактерии исследуют методами световой и электронной микроскопии, посевом на питательные среды, биохимическими тестами и молекулярно-генетическим анализом (секвенирование, ПЦР). Окраска по Граму остаётся базовым диагностическим приёмом.

¶Интересные факты

• Общая биомасса бактерий оценивается в сотни миллиардов тонн; в одном грамме почвы могут содержаться десятки миллионов клеток.
• Некоторые бактерии способны жить в экстремальных условиях: горячих источниках, соляных озёрах, радиоактивных отходах.
• Deinococcus radiodurans выдерживает дозы радиации, в тысячи раз превышающие смертельные для человека.