Co jsou bakterie a co dělají?

Bakterie jsou mikroskopické jednobuněčné organismy, které existují v milionech, v každém prostředí, uvnitř i vně jiných organismů.

Některé bakterie jsou škodlivé, ale většinou slouží užitečnému účelu. Podporují mnoho forem života, rostlinných i živočišných, a používají se v průmyslových a léčivých procesech.

Předpokládá se, že bakterie byly prvními organismy, které se objevily na Zemi asi před 4 miliardami let. Nejstarší známé fosílie pocházejí z bakterií podobných organismů.

Bakterie mohou jako potravu používat většinu organických a některých anorganických sloučenin a některé mohou přežít extrémní podmínky.

Rostoucí zájem o funkci střevního mikrobiomu vrhá nové světlo na úlohu bakterií v lidském zdraví.

Co jsou bakterie?

Bakterie jsou jednobuněčné organismy.

Bakterie jsou jednobuněčné organismy, které nejsou ani rostlinami, ani zvířaty.

Obvykle měří několik mikrometrů a existují společně v milionových komunitách.

Gram půdy obvykle obsahuje asi 40 milionů bakteriálních buněk. Mililiter čerstvé vody obvykle pojme asi jeden milion bakteriálních buněk.

Odhaduje se, že Země pojme nejméně 5 neillion bakterií a předpokládá se, že velká část zemské biomasy je tvořena bakteriemi.

Typy

Existuje mnoho různých druhů bakterií. Jedním ze způsobů jejich klasifikace je tvar. Existují tři základní tvary.

• Sférické: Bakterie ve tvaru koule se nazývají koky a jedinou bakterií je koky. Mezi příklady patří skupina streptokoků odpovědná za „strep krku“.
• Tyčovitý: Tito jsou známí jako bacily (singulární bacily). Některé tyčinkovité bakterie jsou zakřivené. Tito jsou známí jako vibrio. Mezi příklady bakterií ve tvaru tyčinky patří Bacillus anthracis (B. anthracis), nebo antrax.
• Spirála: Tito jsou známí jako spirilla (singulární spirillus). Pokud je jejich cívka velmi těsná, jsou známy jako spirochety. Leptospiróza, lymská borelióza a syfilis jsou způsobeny bakteriemi tohoto tvaru.

V rámci každé skupiny tvarů existuje mnoho variací.

Struktura

Bakteriální buňky se liší od rostlinných a živočišných buněk. Bakterie jsou prokaryoty, což znamená, že nemají jádro.

Bakteriální buňka zahrnuje:

• Tobolka: Vrstva nalezená na vnější straně buněčné stěny u některých bakterií.
• Buněčná stěna: Vrstva, která je vyrobena z polymeru zvaného peptidoglykan. Buněčná stěna dává bakteriím svůj tvar. Nachází se mimo plazmatickou membránu. Buněčná stěna je u některých bakterií silnější, tzv. Grampozitivní bakterie.
• Plazmatická membrána: Nachází se uvnitř buněčné stěny, vytváří energii a transportuje chemikálie. Membrána je propustná, což znamená, že jí mohou procházet látky.
• Cytoplazma: Želatinová látka uvnitř plazmatické membrány, která obsahuje genetický materiál a ribozomy.
• DNA: Obsahuje všechny genetické pokyny použité při vývoji a fungování bakterie. Nachází se uvnitř cytoplazmy.
• Ribozomy: Zde se vyrábějí nebo syntetizují proteiny. Ribozomy jsou komplexní částice vyrobené z granulí bohatých na RNA.
• Bičík: Používá se k pohybu k pohonu některých druhů bakterií. Existují některé bakterie, které mohou mít více než jednu.
• Pili: Tyto vlasové přídavky na vnější straně buňky jí umožňují držet se na povrchu a přenášet genetický materiál do jiných buněk. To může přispět k šíření nemocí u lidí.

Krmení

Bakterie se krmí různými způsoby.

Heterotrofní bakterie neboli heterotrofi získávají energii spotřebováváním organického uhlíku. Většina absorbuje mrtvý organický materiál, například rozkládající se maso. Některé z těchto parazitických bakterií zabíjejí svého hostitele, zatímco jiné jim pomáhají.

Autotrofní bakterie (nebo jen autotrofní) si vyrábějí vlastní jídlo, a to buď prostřednictvím:

• fotosyntéza za použití slunečního světla, vody a oxidu uhličitého nebo
• chemosyntéza s použitím oxidu uhličitého, vody a chemikálií, jako je amoniak, dusík, síra a další

Bakterie využívající fotosyntézu se nazývají fotoautotrofy. Některé druhy, například sinice, produkují kyslík. Ty pravděpodobně hrály zásadní roli při vytváření kyslíku v zemské atmosféře. Jiné, například heliobakterie, kyslík neprodukují.

Ti, kteří používají chemosyntézu, jsou známí jako chemoautotrofy. Tyto bakterie se běžně vyskytují v průduchech oceánu a v kořenech luštěnin, jako je vojtěška, jetel, hrášek, fazole, čočka a arašídy.

Kde žijí?

Bakterie mohou prospívat i v extrémních prostředích, jako jsou ledovce.

Bakterie lze nalézt v půdě, vodě, rostlinách, zvířatech, radioaktivním odpadu, hluboko v zemské kůře, arktickém ledu a ledovcích a horkých pramenech. Ve stratosféře jsou bakterie, které se v atmosféře pohybují mezi 6 a 30 mil a v hlubinách oceánů až do hloubky 32 800 stop nebo 10 000 metrů.

Aeroby nebo aerobní bakterie mohou růst pouze tam, kde je kyslík. Některé typy mohou způsobit problémy lidskému prostředí, jako je koroze, znečištění, problémy s čištěním vody a zápachy.

Anaeroby nebo anaerobní bakterie mohou růst pouze tam, kde není kyslík. U lidí je to většinou v gastrointestinálním traktu. Mohou také způsobit plyn, gangrénu, tetanus, botulismus a většinu zubních infekcí.

Fakultativně anaerobní bakterie nebo fakultativně anaerobní bakterie mohou žít s kyslíkem nebo bez kyslíku, ale upřednostňují prostředí, kde je kyslík. Většinou se nacházejí v půdě, vodě, vegetaci a v normální flóře lidí a zvířat. Mezi příklady patří Salmonella.

Mezofily nebo mezofilní bakterie jsou bakterie odpovědné za většinu lidských infekcí. Prosperují při mírných teplotách kolem 37 ° C. To je teplota lidského těla.

Mezi příklady patří Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, a Clostridium kluyveri.

Lidská střevní flóra nebo střevní mikrobiom obsahuje prospěšné mezofilní bakterie, například dietní Lactobacillus acidophilus.

Extremofily nebo extremofilní bakterie vydrží podmínky považované pro většinu forem života za příliš extrémní.

Termofily mohou žít při vysokých teplotách až 75 až 80 ° C a hypertermofily mohou přežít při teplotách až 113 ° C.

Hluboko v oceánu žijí bakterie v úplné temnotě pomocí tepelných otvorů, kde je vysoká teplota i tlak. Vyrábějí si vlastní jídlo oxidací síry, která pochází z hloubky Země.

Mezi další extremofily patří:

• halofily, které se vyskytují pouze ve slaném prostředí
• acidofily, z nichž některé žijí v prostředí tak kyselém jako je pH 0
• alkaliphiles, žijící v prostředí alkilinu až do pH 10,5
• psychrofily, které se vyskytují při nízkých teplotách, například v ledovcích

Extremophiles mohou přežít tam, kde žádný jiný organismus nemůže.

Reprodukce a transformace

Bakterie se mohou množit a měnit pomocí následujících metod:

• Binární štěpení: Nepohlavní forma reprodukce, při které buňka pokračuje v růstu, dokud středem nevyroste nová buněčná stěna, která vytvoří dvě buňky. Oddělují se a vytvářejí dvě buňky se stejným genetickým materiálem.
• Přenos genetického materiálu: Buňky získávají nový genetický materiál procesy známými jako konjugace, transformace nebo transdukce. Díky těmto procesům mohou být bakterie silnější a odolnější vůči hrozbám, jako jsou antibiotické léky.
• Výtrusy: Když některé druhy bakterií mají málo zdrojů, mohou tvořit spory. Spory zadržují materiál DNA organismu a obsahují enzymy potřebné pro klíčení. Jsou velmi odolné vůči vlivům prostředí. Spory mohou zůstat po staletí neaktivní, dokud nenastanou správné podmínky. Poté se mohou znovu aktivovat a stát se bakteriemi.
• Spory mohou přežít v obdobích stresu prostředí, včetně ultrafialového (UV) a gama záření, vysychání, hladovění, vystavení chemickým látkám a extrémním teplotám.

Některé bakterie produkují endospory nebo vnitřní spory, zatímco jiné produkují exospory, které se uvolňují ven. Tito jsou známí jako cysty.

Clostridium je příkladem bakterie tvořící endosporu. Existuje asi 100 druhů Clostridium, počítaje v to Clostridium botulinim (C. botulinim) nebo botulismus odpovědný za potenciálně smrtelný druh otravy jídlem a Clostridium difficile (C. Obtížné), který způsobuje kolitidu a další střevní potíže.

Použití

Bakterie jsou často považovány za špatné, ale mnohé jsou užitečné. Bez nich bychom neexistovali. Kyslík, který dýcháme, byl pravděpodobně vytvořen aktivitou bakterií.

Lidské přežití

Mnoho bakterií v těle hraje důležitou roli v přežití člověka. Bakterie v zažívacím systému štěpí živiny, jako jsou složité cukry, na formy, které tělo může použít.

Non-nebezpečné bakterie také pomáhají předcházet nemocem tím, že obsadí místa, na která se patogenní nebo choroboplodné bakterie chtějí připojit. Některé bakterie nás chrání před chorobami napadením patogenů.

Fixace dusíku

Bakterie přijímají dusík a uvolňují ho pro rostlinné použití, když uhynou. Rostliny potřebují k životu dusík v půdě, ale samy to nedokážou. Aby to bylo zajištěno, mnoho semen rostlin má malou nádobku s bakteriemi, která se používá, když rostlina vyroste.

Potravinářské technologie

Výroba sýrů zahrnuje bakterie.

Bakterie mléčného kvašení, jako např Lactobacillus a Lactococcus společně s kvasnicemi a plísněmi nebo houbami se používají k přípravě potravin, jako je sýr, sójová omáčka, natto (fermentované sójové boby), ocet, jogurt a okurky.

Nejen, že je fermentace užitečná pro konzervaci potravin, ale některé z těchto potravin mohou nabídnout zdravotní výhody.

Například některé fermentované potraviny obsahují druhy bakterií, které jsou podobné bakteriím spojeným s gastrointestinálním zdravím. Některé fermentační procesy vedou k novým sloučeninám, jako je kyselina mléčná, které mají protizánětlivý účinek.

Je zapotřebí dalšího zkoumání, aby se potvrdily zdravotní výhody fermentovaných potravin.

Bakterie v průmyslu a výzkumu

Bakterie mohou rozkládat organické sloučeniny. To je užitečné při činnostech, jako je zpracování odpadu a čištění ropných skvrn a toxického odpadu.

Farmaceutický a chemický průmysl používá bakterie při výrobě určitých chemikálií.

Bakterie se používají v molekulární biologii, biochemii a genetickém výzkumu, protože mohou rychle růst a lze s nimi snadno manipulovat. Vědci používají bakterie ke studiu fungování genů a enzymů.

K výrobě antibiotik jsou zapotřebí bakterie.

Bacillus thuringiensis (Bt) je bakterie, kterou lze použít v zemědělství místo pesticidů. Nemá to nežádoucí důsledky na životní prostředí spojené s používáním pesticidů.

Nebezpečí

Některé druhy bakterií mohou způsobit onemocnění lidí, jako je cholera, záškrt, úplavice, dýmějový mor, zápal plic, tuberkulóza (TB), tyfus a mnoho dalších.

Pokud je lidské tělo vystaveno bakteriím, které tělo nerozpozná jako užitečné, imunitní systém na ně zaútočí. Tato reakce může vést k příznakům otoku a zánětu, které vidíme například v infikované ráně.

Odpor

V roce 1900 byly zápal plic, tuberkulóza a průjem třemi největšími zabijáky ve Spojených státech. Sterilizační techniky a antibiotické léky vedly k významnému poklesu úmrtí na bakteriální onemocnění.

Nadměrné užívání antibiotik však ztěžuje léčbu bakteriální infekce. Jak bakterie mutují, stávají se odolnějšími vůči stávajícím antibiotikům, což ztěžuje léčbu infekcí. Bakterie se přirozeně transformují, ale nadměrné užívání antibiotik tento proces urychluje.

"I když budou vyvinuty nové léky, beze změny chování zůstane antibiotická rezistence hlavní hrozbou."

Světová zdravotnická organizace (WHO)

Z tohoto důvodu vědci a zdravotní úřady vyzývají lékaře, aby nepředepisovali antibiotika, pokud to není nutné, a aby lidé praktikovali jiné způsoby prevence nemocí, jako je dobrá hygiena jídla, mytí rukou, očkování a používání kondomů.

Střevní mikrobiom

Nedávný výzkum vedl k nové a rostoucí znalosti toho, jak lidské tělo interaguje s bakteriemi, zejména s komunitami bakterií žijících ve střevním traktu, známými jako střevní mikrobiom nebo střevní flóra.

V roce 2009 vědci zveřejnili zjištění, která naznačují, že u žen s obezitou byla vyšší pravděpodobnost výskytu konkrétního druhu bakterií, Selenomonas noxia (S. noxia), v jejich ústech.

V roce 2015 vědci z University of North Carolina zjistili, že střeva lidí s anorexií obsahují „velmi odlišné“ bakterie nebo mikrobiální komunity ve srovnání s lidmi, kteří tento stav nemají. Naznačují, že to může mít psychologický dopad.

Dějiny

Před více než 2000 lety římský autor Marcus Terentius Varro navrhl, že nemoc mohou být způsobena malými zvířaty, která se vznášela ve vzduchu. Doporučil lidem, aby se během stavebních prací vyhýbali bažinatým místům, protože by mohla obsahovat hmyz příliš malý na to, aby oko vidělo, že se dostalo do těla ústy a nosními dírkami a způsobilo nemoci.

V 17. století vytvořil nizozemský vědec Antonie van Leeuwenhoek mikroskop s jedním objektivem, pomocí kterého viděl to, co nazýval animalcules, později známé jako bakterie. Je považován za prvního mikrobiologa.

V 19. století uvedli chemici Louis Pasteur a Robert Koch, že nemoci způsobují bakterie. Toto bylo známé jako Teorie zárodků.

V roce 1910 vědec Paul Ehrlich oznámil vývoj prvního antibiotika Salvarsan. Používal ho k léčbě syfilisu. Byl také prvním vědcem, který detekoval bakterie pomocí skvrn.

V roce 2001 vytvořil Joshua Lederburg termín „střevní mikrobiom“ a vědci na celém světě se v současné době snaží přesněji popsat a pochopit struktury, typy a použití „střevní flóry“ nebo bakterií v lidském těle.

Očekává se, že tato práce časem vrhne nové světlo na širokou škálu zdravotních podmínek.