Mik azok a baktériumok és mit csinálnak?
A baktériumok mikroszkopikus, egysejtű organizmusok, amelyek millióikban léteznek, minden környezetben, más szervezeteken belül és kívül egyaránt.
Néhány baktérium káros, de a legtöbb hasznos célt szolgál. Számos életformát támogatnak, akár növényi, akár állati, és ipari és gyógyászati folyamatokban használják őket.
Úgy gondolják, hogy a baktériumok jelentek meg elsőként a földön, mintegy 4 milliárd évvel ezelőtt. A legrégebbi ismert kövületek baktériumszerű organizmusok.
A baktériumok a legtöbb szerves és néhány szervetlen vegyületet táplálékként használhatják, és egyesek túl tudják élni az extrém körülményeket.
A bélmikrobiom működése iránti növekvő érdeklődés új megvilágításba helyezi a baktériumok emberi egészségben betöltött szerepét.
Mik azok a baktériumok?
A baktériumok egysejtű szervezetek.
A baktériumok egysejtű szervezetek, amelyek sem növények, sem állatok.
Általában néhány mikrométer hosszúságúak és egymilliós közösségekben léteznek együtt.
Egy gramm talaj tipikusan körülbelül 40 millió baktérium sejtet tartalmaz. Egy milliliter édesvíz általában körülbelül egymillió baktérium sejtet tartalmaz.
Becslések szerint a föld legalább 5 nonillion baktériumot tartalmaz, és a föld biomasszájának nagy részét baktériumok alkotják.
Típusok
Sokféle baktérium létezik. Az osztályozás egyik módja az alak. Három alapforma létezik.
- Gömb alakú: A gömb alakú baktériumokat kokkoknak nevezik, és egyetlen baktérium egy koksz. Ilyen például a streptococcus csoport, amely felelős a „strep torokért”.
- Rúd alakú: Ezeket bacilláknak (szinguláris bacillusoknak) nevezik. Néhány rúd alakú baktérium ívelt. Ezek vibrio néven ismertek. A rúd alakú baktériumok például Bacillus anthracis (B. anthracis), vagy lépfene.
- Spirál: ezeket spirillának (egyes spirillus) nevezik. Ha tekercsük nagyon szoros, spirochétáknak nevezik őket. A leptospirosist, a Lyme-kórt és a szifilist ilyen alakú baktériumok okozzák.
Minden alakcsoporton belül sok variáció található.
Szerkezet
A baktériumsejtek különböznek a növényi és állati sejtektől. A baktériumok prokarióták, ami azt jelenti, hogy nincs magjuk.
A baktériumsejt a következőket tartalmazza:
- Kapszula: A baktériumokban a sejtfal külsején található réteg.
- Sejtfal: Olyan réteg, amely egy peptidoglikán nevű polimerből készül. A sejtfal adja a baktériumok alakját. A plazmamembránon kívül helyezkedik el. A sejtfal vastagabb egyes baktériumokban, úgynevezett Gram pozitív baktériumokban.
- Plazmamembrán: A sejtfalban található, ez energiát termel és vegyszereket szállít. A membrán áteresztő, ami azt jelenti, hogy az anyagok átjuthatnak rajta.
- Citoplazma: A plazmamembrán belsejében található kocsonyás anyag, amely genetikai anyagot és riboszómákat tartalmaz.
- DNS: Ez tartalmazza a baktérium kifejlődésében és működésében használt összes genetikai utasítást. A citoplazmán belül helyezkedik el.
- Riboszómák: Itt készülnek vagy szintetizálódnak fehérjék. A riboszómák összetett részecskék, amelyek RNS-ben gazdag granulátumokból állnak.
- Flagellum: Ezt használják mozgásra, bizonyos baktériumtípusok meghajtására. Vannak olyan baktériumok, amelyeknek több is lehet.
- Pili: Ezek a szőrszerű függelékek a sejt külsején lehetővé teszik a felületekhez való tapadást és a genetikai anyag más sejtekbe történő átvitelét. Ez hozzájárulhat a betegségek terjedéséhez az emberekben.
Táplálás
A baktériumok különböző módon táplálkoznak.
A heterotróf baktériumok vagy heterotrófok energiájukat szerves szén fogyasztásával nyerik. A legtöbb elpusztult szerves anyagot, például bomló húst szív fel. Ezen parazita baktériumok egy része megöli gazdáját, míg mások segítenek nekik.
Az autotróf baktériumok (vagy csak az autotrófok) maguk készítik el ételeiket, akár:
- fotoszintézis, napfény, víz és széndioxid felhasználásával, vagy
- kemoszintézis, szén-dioxid, víz és vegyi anyagok, például ammónia, nitrogén, kén és mások felhasználásával
A fotoszintézist használó baktériumokat fotoautotrófoknak nevezzük. Egyes típusok, például a cianobaktériumok oxigént termelnek. Ezek valószínűleg létfontosságú szerepet játszottak a föld atmoszférájában az oxigén létrehozásában. Mások, például a heliobaktériumok, nem termelnek oxigént.
A kemoszintézist használók kemoautotrófokként ismertek. Ezek a baktériumok általában megtalálhatók az óceán szellőzőiben és a hüvelyesek gyökereiben, mint például a lucerna, a lóhere, a borsó, a bab, a lencse és a földimogyoró.
Hol élnek?
A baktériumok megtalálhatók a talajban, a vízben, a növényekben, az állatokban, a radioaktív hulladékokban, a földkéreg mélyén, a sarkvidéki jégen és gleccserekben, valamint a forrásokban. Baktériumok vannak a sztratoszférában, 6 és 30 mérföld között, a légkörben, és az óceán mélyén, akár 32 800 láb vagy 10 000 méter mélyen.
Az aerobok vagy aerob baktériumok csak ott növekedhetnek, ahol oxigén van. Egyes típusok problémákat okozhatnak az emberi környezetben, például korrózió, szennyeződések, a víz tisztaságának problémái és a rossz szagok.
Az anaerobok vagy anaerob baktériumok csak ott növekedhetnek, ahol nincs oxigén. Embernél ez leginkább a gyomor-bél traktusban van. Gázt, gangrént, tetanust, botulizmust és a legtöbb fogászati fertőzést is okozhatnak.
A fakultatív anaerobok vagy a fakultatív anaerob baktériumok oxigénnel vagy anélkül is élhetnek, de inkább olyan környezetet részesítenek előnyben, ahol oxigén van. Leginkább a talajban, a vízben, a növényzetben és az emberek és állatok normális növényvilágában találhatók meg. Ilyenek például Salmonella.
A mezofilek vagy a mezofil baktériumok felelősek a legtöbb emberi fertőzésért. Mérsékelt hőmérsékleten, 37 ° C körül mozognak. Ez az emberi test hőmérséklete.
Ilyenek például Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, és Clostridium kluyveri.
Az emberi bélflóra, vagy a bél mikrobioma hasznos mezofil baktériumokat tartalmaz, például étrendi Lactobacillus acidophilus.
Az extremofilek vagy az extrémofil baktériumok ellen tudnak állni a legtöbb életforma szempontjából túl szélsőségesnek tartott feltételeknek.
A termofilek magas hőmérsékleten, akár 75-80 ° C-on élhetnek, a hipertermofilek pedig túlélhetnek 113 ° C-ig.
Az óceán mélyén a baktériumok teljes sötétségben élnek termikus szellőzők által, ahol mind a hőmérséklet, mind a nyomás magas. A föld mélyéről származó kén oxidálásával saját ételt készítenek.
Egyéb extremofilek:
- halofilek, csak sós környezetben találhatók meg
- acidofilek, amelyek némelyike olyan savas környezetben él, mint a pH 0
- alkalifilek, alkilinkörnyezetben élnek, pH 10,5-ig
- pszichrofilek, amelyek hideg hőmérsékleten találhatók, például a gleccserekben
Az extremofilek túlélhetnek ott, ahol más szervezetek nem képesek.
Szaporodás és átalakulás
A baktériumok a következő módszerekkel szaporodhatnak és változhatnak:
- Bináris hasadás: A nemi reprodukciós forma, amelyben egy sejt tovább növekszik, amíg egy új sejtfal nem nő át a központon, két sejtet alkotva. Ezek szétválnak, és két sejtet készítenek azonos genetikai anyaggal.
- Genetikai anyag transzferje: A sejtek konjugáció, transzformáció vagy transzdukció néven ismert folyamatok révén szereznek új genetikai anyagot. Ezek a folyamatok erősebbé tehetik a baktériumokat, és jobban képesek ellenállni a fenyegetéseknek, például az antibiotikus gyógyszereknek.
- Spórák: Ha egyes baktériumtípusokban kevés az erőforrás, spórákat képezhetnek. A spórák megtartják a szervezet DNS-anyagát, és tartalmazzák a csírázáshoz szükséges enzimeket. Nagyon ellenállnak a környezeti terheléseknek. A spórák évszázadokig inaktívak maradhatnak, egészen addig, amíg a megfelelő körülmények bekövetkeznek. Ezután újra aktiválódhatnak és baktériumokká válhatnak.
- A spórák túlélhetik a környezeti stresszt, beleértve az ultraibolya (UV) és a gammasugárzást, a kiszáradást, az éhezést, a kémiai expozíciót és a szélsőséges hőmérsékleti viszonyokat.
Egyes baktériumok endoszporákat vagy belső spórákat termelnek, míg mások exospórákat termelnek, amelyek kívülről szabadulnak fel. Ezeket cisztáknak nevezik.
Clostridium egy példa egy endospóraképző baktériumra. Körülbelül 100 faj létezik Clostridium, beleértve Clostridium botulinim (C. botulinim- vagy botulizmus, amely felelős az ételmérgezés végzetes fajtáért, és Clostridium difficile (C. Nehéz), amely vastagbélgyulladást és más bélproblémákat okoz.
Használ
A baktériumokat gyakran rossznak tartják, de sok hasznos. Nem létezhetnénk nélkülük. Az általunk belélegzett oxigént valószínűleg a baktériumok tevékenysége hozta létre.
Az emberi túlélés
A testben található baktériumok közül sok fontos szerepet játszik az emberi túlélésben. Az emésztőrendszer baktériumai a tápanyagokat, például a komplex cukrokat, a test által felhasználható formákra bontják.
A nem veszélyes baktériumok a betegségek megelőzésében is segítenek elfoglalni olyan helyeket, amelyekhez a kórokozó vagy betegségeket okozó baktériumok kötődni akarnak. Egyes baktériumok a kórokozók megtámadásával megvédenek minket a betegségektől.
Nitrogén rögzítése
A baktériumok nitrogént vesznek fel, és halálukkor növényi felhasználásra bocsátják. A növények életéhez nitrogénre van szükségük a talajban, de ezt maguk nem tudják megtenni. Ennek biztosítására sok növényi magban van egy kis baktériumtartály, amelyet a növény kihajtásakor használnak.
Élelmiszer-technológia
Tejsavbaktériumok, mint pl Lactobacillus és Lactococcus Élesztővel és penészgombákkal vagy gombákkal együtt olyan ételek készítésére használják, mint a sajt, szójaszósz, natto (erjesztett szójabab), ecet, joghurt és savanyúság.
Az erjesztés nemcsak az élelmiszerek tartósítására hasznos, de ezek közül az élelmiszerek egy része egészségügyi előnyökkel járhat.
Például egyes erjesztett élelmiszerek olyan baktériumtípusokat tartalmaznak, amelyek hasonlóak a gyomor-bélrendszer egészségéhez kapcsolódó baktériumokhoz. Néhány fermentációs folyamat új vegyületekhez, például tejsavhoz vezet, amelyek gyulladáscsökkentő hatásúnak tűnnek.
További vizsgálatokra van szükség az erjesztett élelmiszerek egészségügyi előnyeinek megerősítéséhez.
Baktériumok az iparban és a kutatásban
A baktériumok lebonthatják a szerves vegyületeket. Ez hasznos olyan tevékenységeknél, mint a hulladék feldolgozása, az olajszennyezések és a mérgező hulladékok megtisztítása.
A gyógyszeripar és a vegyipar baktériumokat használ bizonyos vegyi anyagok előállításához.
A baktériumokat a molekuláris biológiában, a biokémiában és a genetikai kutatásokban használják, mivel gyorsan növekedhetnek és viszonylag könnyen kezelhetők. A tudósok baktériumok segítségével tanulmányozzák a gének és az enzimek működését.
Az antibiotikumok előállításához baktériumokra van szükség.
Bacillus thuringiensis (Bt) egy baktérium, amely a mezőgazdaságban alkalmazható növényvédő szerek helyett. Nem jár a peszticidek használatával járó nemkívánatos környezeti következményekkel.
Veszélyek
Bizonyos típusú baktériumok betegségeket okozhatnak az emberekben, mint például a kolera, a diftéria, a dizentéria, a bubonos pestis, a tüdőgyulladás, a tuberkulózis (TB), a tífusz és még sok más.
Ha az emberi test olyan baktériumoknak van kitéve, amelyeket a szervezet nem ismer el hasznosnak, az immunrendszer megtámadja őket. Ez a reakció a duzzanat és a gyulladás tüneteihez vezethet, amelyeket például egy fertőzött sebben tapasztalhatunk.
Ellenállás
1900-ban a tüdőgyulladás, a tuberkulózis és a hasmenés volt az Egyesült Államok három legnagyobb gyilkosa. A sterilizálási technikák és az antibiotikum-gyógyszerek a bakteriális betegségek okozta halálozások jelentős csökkenéséhez vezettek.
Az antibiotikumok túlzott használata azonban megnehezíti a bakteriális fertőzések kezelését. Amint a baktériumok mutálódnak, ellenállóbbá válnak a meglévő antibiotikumokkal szemben, így a fertőzéseket nehezebb kezelni. A baktériumok természetesen átalakulnak, de az antibiotikumok túlzott használata felgyorsítja ezt a folyamatot.
"Még akkor is, ha új gyógyszereket fejlesztenek ki, viselkedésváltozás nélkül, az antibiotikumokkal szembeni rezisztencia továbbra is komoly fenyegetést jelent."
Egészségügyi Világszervezet (WHO)
Emiatt a tudósok és az egészségügyi hatóságok arra szólítják fel az orvosokat, hogy csak akkor írják fel az antibiotikumokat, ha ez szükséges, és az embereket gyakorolják a betegségek megelőzésének egyéb módjait, például a megfelelő élelmiszer-higiéniát, a kézmosást, az oltást és az óvszer használatát.
A bél mikrobioma
A legújabb kutatások új és egyre növekvő félelemhez vezettek abban, hogy az emberi test hogyan hat kölcsönhatásba a baktériumokkal, és különösen a bélrendszerben élő baktériumok közösségeivel, amelyek a bél mikrobiómája vagy bélflóra néven ismertek.
2009-ben a kutatók olyan eredményeket tettek közzé, amelyek arra utalnak, hogy az elhízott nőknél nagyobb valószínűséggel vannak egy bizonyos típusú baktériumok, Selenomonas noxia (S. noxia), a szájukban.
2015-ben az észak-karolinai egyetem tudósai azt találták, hogy az anorexiában szenvedő emberek belei „nagyon különböző” baktériumokat vagy mikrobiális kombinációkat tartalmaznak, összehasonlítva azokkal az emberekkel, akiknek nincs ilyen állapotuk. Azt sugallják, hogy ennek pszichológiai hatása lehet.
Történelem
Több mint 2000 évvel ezelőtt egy római szerző, Marcus Terentius Varro felvetette, hogy a betegséget a levegőben lebegő apró állatok okozhatják. Azt tanácsolta az embereknek, hogy az építési munkálatok során kerüljék el a mocsaras helyeket, mert azok a szem számára túl kicsi rovarokat tartalmazhatnak, amelyek a szájon és orrlyukakon keresztül jutnak be a testbe, és betegségeket okozhatnak.
A 17. században egy holland tudós, Antonie van Leeuwenhoek létrehozott egylencsés mikroszkópot, amellyel meglátta az úgynevezett állati tokokat, amelyeket később baktériumnak neveztek. Őt tartják az első mikrobiológusnak.
A 19. században Louis Pasteur és Robert Koch vegyészek azt mondták, hogy a betegségeket a csírák okozzák. Ezt csíranevekként ismerték.
1910-ben a tudós, Paul Ehrlich megemlítette az első antibiotikum, a Salvarsan kifejlesztését. A szifilisz gyógyítására használta. Ő volt az első tudós, aki foltok segítségével észlelte a baktériumokat.
2001-ben Joshua Lederburg hozta létre a „bélmikrobiom” kifejezést, és a tudósok világszerte jelenleg arra törekszenek, hogy pontosabban leírják és megértsék a „bélflóra” vagy baktériumok szerkezetét, típusait és felhasználását az emberi testben.
Idővel ez a munka várhatóan az egészségi állapot széles skáláját új megvilágításba hozza.
