Строение бактерии: особенности. Жизнедеятельность и строение бактерий

Говоря о бактериях, чаще всего мы представляем нечто негативное. А между тем знаем мы о них очень мало. Строение и жизнедеятельность бактерий достаточно примитивны, но это, по предположениям некоторых ученых, самые древнейшие обитатели Земли, и за столько лет они не исчезли и не вымерли. Многие виды таких микроорганизмов человек использует для своего блага, другие же являются причиной серьезных заболеваний и даже эпидемий. Но вред одних бактерий порой не соизмерим с пользой других. Давайте поговорим об этих удивительных микроорганизмах и познакомимся с их строением, физиологией и классификацией.

Царство бактерий

Это безъядерные, чаще всего одноклеточные микроорганизмы. Их открытие в 1676 году – заслуга голландского ученого А. Левенгука, который впервые разглядел крошечные бактерии под лупой микроскопа. А вот изучать их природу, физиологию и роль в жизни человека впервые начал французский химик и микробиолог Луи Пастер в 1850-х годах. Строение бактерии стало активно исследоваться с появлением электронных микроскопов. Ее клетка состоит из цитоплазматической мембраны, рибосомы и нуклеотида. ДНК бактерии сосредоточена в одном месте (нуклеоплазме) и представляет собой клубок из тонких нитей. Цитоплазма отделена от клеточной стенки цитоплазматической мембраной, в ней находятся нуклеотид, различные мембранные системы, клеточные включения. Рибосома бактерии состоит на 60% из РНК, остальное – белок. На фото ниже изображено строение сальмонеллы.

Клеточная стенка и ее компоненты

Бактерии имеют клеточное строение. Стенка клетки обладает толщиной около 20 нм и, в отличие от высших растений, не имеет фибриллярной структуры. Ее прочность обеспечивается специальным покровом, называемым мешком. Он состоит преимущественно из полимерного вещества - муреина. Его компоненты (субъединицы) соединены в определенной последовательности в особые полигликановые тяжи. Они совместно с короткими пептидами образуют макромолекулу, напоминающую сеть. Это и есть муреиновый мешок.

Органы передвижения

Эти микроорганизмы способны к активному передвижению. Осуществляется оно за счет плазматических жгутиков, имеющих винтообразное строение. Бактерии могут передвигаться со скоростью до 200 мкм в секунду и оборачиваться вокруг своей оси за секунду 13 раз. Способность жгутиков к движению обеспечивается специальным сократительным белком – флагеллином (аналог миозина в мышечных клетках).

Размеры они имеют следующие: длина - до 20 мкм, диаметр - 10-20 нм. Каждый жгутик отходит от базального тельца, которое погружено в оболочку клетки бактерии. Органы передвижения могут быть единичными или располагаться целыми пучками, как, например, у спириллы. Количество жгутиков может зависеть от условий внешней среды. Например, Протеус вульгарис при бедном питании имеет всего два субполярных жгутика, тогда как при нормальных условиях развития в пучках их может быть от 2 до 50.

Движение микроорганизмов

Строение бактерии (схема ниже) таково, что она может достаточно активно передвигаться. Движение в большинстве случаев происходит за счет толчка и осуществляется в основном в жидкой или влажной среде. В зависимости от действующего фактора, другими словами - вида внешнего раздражителя, оно может представлять собой:

• хемотаксис – это направленное движение бактерии к питательным веществам или, напротив, от каких-либо токсинов;
• аэротаксис – движение к кислороду (у аэробов) или от него (у анаэробов);
• фототаксис – реакция на свет, проявляющаяся в движении, характерна прежде всего для фототрофов;
• магнитотаксис - реакция на изменения в магнитном поле, объясняется наличием у некоторых микроорганизмов специальных частиц (магнетосом).

Одним из перечисленных способов бактерии, особенности строения клетки которых позволяют им передвигаться, могут создавать скопления в местах с оптимальными условиями для их жизнедеятельности. Кроме жгутиков, некоторые виды имеют многочисленные более тонкие нити - их называют "фимбрии" или "пили", но их функция в достаточной мере еще не изучена. Бактерии, которые не имеют специальных жгутиков, способны к скользящему движению, правда, оно характеризуется очень низкой скоростью: примерно 250 мкм в минуту.

Несколько слов о физиологии

Для активной жизнедеятельности микроорганизмам нужна энергия. Ее источником могут служить самые разнообразные органические и неорганические вещества, а также солнечный свет. Большинство бактерий - гетеротрофы. Они не могут синтезировать из неорганических соединений органические с помощью фото- или хемосинтеза, поэтому используют гниющий органический материал, паразитируют или выступают симбионтами.

Вторая малочисленная группа бактерий - автотрофы. Они способны синтезировать из неорганических веществ органические, частично могут усваивать атмосферный углекислый газ и являются хемотрофами. Эти бактерии занимают весьма важное место в круговороте химических элементов в природе.

Также существуют две группы настоящих фототрофов. Особенности строения бактерий этой категории заключаются в том, что они содержат вещество (пигмент) бактериохлорофилл, родственное по природе растительному хлорофиллу, а так как у них отсутствует фотосистема II, фотосинтез протекает без выделения кислорода.

Размножение делением

Основной способ размножения – это деление исходной материнской клетки надвое (амитоз). У форм, имеющих вытянутую форму, это всегда происходит перпендикулярно продольной оси. Строение бактерии претерпевает при этом кратковременные изменения: от края клетки к середине образуется поперечная перегородка, по которой затем и разделяется материнский организм. Это объясняет старое название царства – Дробянки. Клетки после деления могут оставаться соединенными в неустойчивые, рыхлые цепочки.

Вот такие можно выделить отличительные особенности строения бактерий некоторых видов, например, стрептококков.

Спорообразование и половое размножение

Второй способ размножения – спорообразование. Оно напрямую сопряжено со стремлением приспособиться к неблагоприятным условиям и направлено на то, чтобы их пережить. У некоторых палочковидных бактерий споры образуются эндогенно, то есть внутри клетки. Они очень устойчивы к нагреванию и могут сохраняться даже при длительном кипячении. Образование спор начинается с различных химических реакций в материнской клетке, при этом разлагается около 75% всех ее белков. Затем происходит деление. При этом образуются две дочерние клетки. Одна из них (меньшая) покрывается толстой оболочкой, которая по объему может занимать до 50% - это и есть спора. Она сохраняет жизнеспособность и готовность к прорастанию в течение 200-300 лет.

Некоторые виды способны к половому размножению. Впервые этот процесс открыли в 1946 году, когда изучали строение клетки бактерии Эшерихия коли. Оказалось, что возможен частичный перенос генетического материала. То есть фрагменты ДНК передаются от одной клетки (донора) к другой (реципиенту) в процессе конъюгации. Осуществляется это при помощи бактериофагов или путем трансформации.

Строение бактерии и особенности ее физиологии таковы, что в идеальных условиях процесс деления происходит постоянно и очень быстро (каждые 20-30 минут). Но в естественной среде он ограничен различными факторами (солнечным светом, питательной средой, температурой и др.).

В основу классификации этих микроорганизмов положено различное строение клеточной стенки бактерий, которое обуславливает сохранение анилинового красителя в клетке или его вымывание. Это было выявлено Х. К. Грамом, а впоследствии, в соответствии с его именем были выделены два больших отдела микроорганизмов, о которых мы поговорим ниже.

Грамположительные бактерии: особенности строения и жизнедеятельности

Эти микроорганизмы имеют многослойный муреиновый покров (30-70% от всей сухой массы клеточной стенки), благодаря чему из клеток не вымывается анилиновый краситель (на фото выше слева схематично изображено строение грамположительной бактерии, а справа - грамограмотрицательной). Их особенностью является и то, что диаминопимелиновая кислота часто заменяется лизином. Содержание белка значительно меньше, а полисахариды отсутствуют или связаны ковалентными связями. Все бактерии этого отдела разделены на несколько групп:

1. Грамположительные кокки. Они представляют собой одиночные клетки или группы по две, четыре и более клеток (до 64), скрепленных между собой целлюлозой. По типу питания это, как правило, облигатные или факультативные анаэробы, например, молочнокислые бактерии из семейства Стрептококковые, но могут быть и аэробы.
2. Неспорообразующие палочки. По названию уже можно понять строение клетки бактерии. К этой группе относят анаэробные или факультативно аэробные молочнокислые виды из семейства Лактобациллы.
3. Спорообразующие палочки. Они представлены всего одним семейством - Клостридии. Это облигатные анаэробы, способные образовывать споры. Многие из них формируют характерные цепочки или нити из отдельных клеток.
4. Коринеморфные микроорганизмы. Внешнее строение клетки бактерии этой группы может значительно меняться. Так, палочки могут становиться булавовидными, короткими, кокками или слабо разветвленными формами. Эндоспоры они не образуют. К ним относятся пропионовокислые, стрептомицетовые бактерии и т. д.
5. Микоплазмы. Если обратить внимание на строение бактерии (схема на рисунке ниже - стрелка указывает на цепочку ДНК), то можно отметить, что она не имеет клеточной стенки (вместо нее есть цитоплазматическая мембрана) и, следовательно, не окрашивается анилиновым красителем, поэтому ее нельзя отнести к данному отделу на основании окрашивания по Граму. Но согласно последним исследованиям микоплазмы произошли от грамположительных микроорганизмов.

Грамотрицательные бактерии: функции, строение

У таких микроорганизмов сеть муреина очень тонкая, ее доля от сухой массы всей клеточной стенки составляет всего лишь 10%, остальная часть – это липопротеины, липополисахариды т. д. Вещества, поступающие при окрашивании по методу Грама, легко вымываются. По типу питания грамотрицательные бактерии - фототрофы или хемотрофы, некоторые виды способны к фотосинтезу. Классификация внутри отдела находится в процессе формирования, различные семейства объединяют в 12 групп, исходя из особенностей морфологии, обмена веществ и других факторов.

1. Анаэробные кокки и палочки. По внешнему облику представляют собой вибрионы (в виде запятой) или спириллы.
2. Факультативно анаэробные палочки. К ним, в частности, относится семейство энтеробактерий. А вот виды из рода фотобактерий приспособились к жизни в морской воде и известны своим люминесцентным свечением.
3. Аэробные кокки и палочки. Обширная группа бактерий, которая, к примеру, включает известные азотфиксирующие или клубеньковые виды рода Ризобиум.
4. Спириллы. Это жесткие палочки, имеющие форму спирали. По типу питания чаще всего они аэробы, реже – факультативные анаэробы.
5. Спирохеты. Внешнее строение бактерии (фото ниже) схоже с тем, которое имеют представители предыдущей группы. Главное отличие спирохет - в их гибкости и способности к активному движению.
   
6. Бактерии с придатками. Это формы, имеющие различное родство, при делении они дают две дочерние клетки различной величины, а также образуют придатки в виде палочек и выростов.
7. Хламидобактерии. Они обладают характерными чехлами в виде трубки, что способствует удержанию клеток вместе, и в результате могут образовываться целые колонии. Наиболее яркий представитель - гриб сточных вод. Это бактерия, обитающая в сильно загрязненной воде. Такие микроорганизмы образуют огромные скопления, что способствует забиванию труб и сточных канав.
8. Скользящие бактерии. Они свое название получили из-за свойственного им способа передвижения.
9. Миксобактерии. Имеют комплексную организацию, при которой одноклеточные формы могут образовывать плодовые тела.
10. Облигатно паразитические бактерии. Они не могут культивироваться вне живых клеток.
11. Хемолитотрофные бактерии.
12. Фотоавтотрофные бактерии. Имеют разнообразные фотосинтетические пигменты и каротины, которые придают им яркую окраску: пурпурно-фиолетовую, красную, коричневую, оливково-зеленую.

Значение бактерий для человека

Несмотря на свою, казалось бы, незаметность, бактерии имеют огромное значение для человека, как положительное, так и отрицательное. Производство многих пищевых продуктов невозможно без участия отдельных представителей этого царства. Строение и жизнедеятельность бактерий позволяют получать нам многие молочные продукты (сыры, йогурты, кефир и многое другое). Эти микроорганизмы участвуют в процессах квашения, брожения.

Многочисленные виды бактерий являются возбудителями болезней у животных и человека, таких как сибирская язва, столбняк, дифтерия, туберкулез, чума и т. д. Но в то же время микроорганизмы участвуют в различных промышленных производствах: это генная инженерия, получение антибиотиков, ферментов и других белков, искусственное разложение отходов (например, метановое сбраживание сточных вод), обогащение металлов. Некоторые бактерии растут на субстратах, богатых нефтепродуктами, и это служит индикатором при поиске и разработке новых месторождений.