У цей самий момент, людина, коли ти читаєш ці рядки, ти отримуєш користь від роботи бактерій. Від кисню, який ми вдихаємо, до поживних речовин, які витягує шлунок з їжі, нам потрібно дякувати бактерій за процвітання на цій планеті. У нашому організмі мікроорганізмів, включаючи бактерій, більше, ніж наших власних клітин приблизно в десять разів. По суті, ми більше мікроби, ніж люди.

Тільки недавно ми почали потроху розуміти мікроскопічні організми та їх вплив на нашу планету і здоров’я, але історія показує, що багато століть тому наші предки вже використали міць бактерій, ферментіруя продукти харчування та напої (хто-небудь чув про хліб і пиво?).

У 17 столітті ми почали вивчати бактерій вже безпосередньо в наших тілах в тісному зв’язку з нами – в роті. Цікавість Антоні ван Левенгука дозволило виявити бактерії, коли він вивчав бляшку між його власними зубами. Ван Левенгук поетично описав бактерій, позначивши бактеріальну колонію на своїх зубах як «трохи білого речовини, схожої на застигле тісто». Розмістивши зразок під мікроскопом, ван Левенгук побачив, що мікроорганізми рухаються. Так вони живі!

Ви повинні знати, що бактерії зіграли найважливішу роль для Землі, ставши ключовим моментом у створенні придатного для дихання повітря та біологічного багатства планети, яку ми звемо будинком.

У цій статті ми надамо вам загальну картину про ці крихітних, але дуже впливових мікроорганізмах. Ми розглянемо хороші, погані і абсолютно химерні способи, якими бактерії формують історію людини і навколишнього середовища. Для початку розглянемо, чим бактерії відрізняються від інших видів життя.

Основи бактерій

Що ж, якщо бактерії непомітні неозброєному оку, звідки ми можемо знати так багато про них?

Вчені розробили потужні мікроскопи, щоб поглянути на бактерій – їх розміри варіюються від одного до декількох мікрон (мільйонної частини метра) – і з’ясувати, як вони співвідносяться з іншими формами життя, рослинами, тваринами, вірусами і грибками.

Як ви, можливо, знаєте, клітини – це будівельні цеглинки життя, з них складаються і тканини нашого тіла, і дерево, яке росте за вікном. Люди, тварини і рослини мають клітинами з генетичною інформацією, укладеної в мембрані під назвою ядро. Ці типи клітин, які називаються еукариотическими, володіють спеціальними органелами, кожна з яких виконує унікальну роботу, допомагаючи клітці працювати.

Бактерії, однак, не мають ядер, і їх генетичний матеріал (ДНК) вільно плаває всередині клітини. У цих мікроскопічних клітин немає органел і вони володіють іншими методами відтворення і передачі генетичного матеріалу. Бактерії вважаються прокариотическими клітинами.

Основні категорії бактерій вчені оцінюють за такими параметрами:

• Виживають чи бактерії в середовищі з киснем або без;
• Їх форма: палички (bacillus), кола (cocci) або спіралі (spirillum);
• Чи є бактерії грамнегативними або грампозитивними, тобто чи мають зовнішньої захисної мембраною, що перешкоджає фарбуванню нутрощів клітини;
• Як бактерії переміщаються і вивчають навколишнє середовище (у багатьох бактерій є джгутики, крихітні плетевідний структури, які дозволяють їм пересуватися в середовищі).

Мікробіологія – наука про всі типи мікробів, включаючи бактерії, археї, гриби, віруси та найпростіші – дозволяє відрізняти бактерії від їх мікробних братів.

Схожі на бактерії прокаріоти, нині класифікуються як археї, колись були разом з бактеріями, але коли вчені дізналися про них більше, вони надали бактеріям і археям власні категорії.

Мікробне харчування (і миазма)

Як і людям, тваринам і рослинам, бактеріям потрібна їжа для виживання.

Деякі бактерії – автотрофи – використовують основні ресурси на кшталт сонячного світла, води і хімічних речовин з навколишнього середовища для створення їжі (подумайте про ціанобактеріях, які перетворювали сонячне світло в кисень протягом 2,5 мільйонів років). Інші бактерії вчені називають гетеротрофами, тому що вони черпають енергію з існуючих органічних речовин в якості їжі (наприклад, мертве листя на лісовому грунті).

Правда в тому, що те, що може бути смачним для бактерій, буде нам противно. Вони розвивалися, щоб поглинати всі типи продуктів, від розливів нафти і побічних продуктів ядерного розпаду до людських відходів і продуктів розкладання.

Але схильність бактерій до конкретного джерела живлення може принести користь суспільству. Приміром, фахівці з мистецтвам з Італії звернулися до бактерій, які можуть поїдати надлишкові шари солі і клею, що знижують довговічність безцінних мистецьких творів. Уміння бактерій переробляти органічні речовини також дуже корисно для Землі, як в грунті, так і у воді.

Виходячи з щоденного досвіду, ви добре знайомі з запахом, який викликають бактерії, що поглинають вміст вашої сміттєвого кошика, переробляючи залишки їжі і випускаючи власні газоподібні побічні продукти. Однак цим все не обмежується. Ви також можете звинуватити бактерії в тому, що вони викликають ці незграбні моменти, коли ви самі випускаємо гази.

Одна велика родина

Бактерії ростуть і утворюють колонії, коли випадає шанс. Якщо їжа та екологічні умови є сприятливими, вони розмножуються і утворюють липкі скупчення, так звані біоплівки, щоб вижити на різних поверхнях – від гірських порід до зубів вашого рота.

У біоплівок є свої плюси і мінуси. З одного боку, вони взаємовигідні природним об’єктам (мутуалізмом). З іншого ж – вони можуть бути серйозною загрозою. Наприклад, лікарі, які лікують пацієнтів з медичними імплантатами та пристроями, серйозно стурбовані біоплівки, оскільки вони представляють собою таку собі нерухомість для бактерій. Після колонізації біоплівки можуть виробляти побічні продукти, які токсичні – а іноді й смертельні – для людини.

Як і люди в містах, клітини в біоплівки повідомляються один з одним, обмінюються інформацією про продукти харчування та потенційної небезпеки. Але замість того, щоб дзвонити сусідам по телефону, бактерії відправляють записки за допомогою хімічних речовин.

Також бактерії не бояться жити самостійно. Деякі види розробили цікаві способи, щоб виживати в суворих умовах. Коли їжі більше немає, а умови стають нестерпними, бактерії консервують себе, створюючи жорстку оболонку – Ендоспори, яка поміщає клітку в стан спокою і зберігає генетичний матеріал бактерії.

Вчені знаходять бактерії в таких тимчасових капсулах, які зберігалися і 100, і навіть 250 мільйонів років. Це говорить про те, що бактерії можуть самостійно зберігатися протягом тривалого часу.

Тепер, коли ми знаємо, які можливості надають колонії бактерій, давайте розберемося, як вони потрапляють туди – шляхом ділення і розмноження.

Розмноження бактерій

Як бактерії створюють колонії? Як і іншим формам життя на Землі, бактеріям потрібно самокопіюватися, щоб виживати. Інші організми роблять це шляхом статевого розмноження, але не бактерії. Але спочатку давайте обговоримо, чому різноманітність – це добре.

Життя проходить природний відбір, ну або селективні сили певного середовища дозволяють одному типу процвітати і розмножуватися більше, ніж іншому. Можливо, ви пам’ятаєте, що гени – це механізм, який інструктує клітку, що їй робити, і визначає, якого кольору будуть ваші волосся і очі. Ви отримуєте гени від своїх батьків. Статеве розмноження призводить до мутацій, або випадковим змін в ДНК, що створює різноманітність. Чим більше генетичного різноманіття, тим більше шансів, що організм зможе пристосуватися до обмежень навколишнього середовища.

Для бактерій відтворення не залежить від зустрічі з правильним мікробом; вони просто копіюють власну ДНК і діляться на дві ідентичних клітини. Цей процес, званий двійковим поділом, відбувається, коли одна бактерія ділиться на дві, копіюючи ДНК і передаючи її обох частин розділеної клітини.

Оскільки в кінцевому підсумку народжена клітина буде ідентична тій, з якої була народжена, такий метод розмноження не найкращий для створення різноманітного генофонду. Як же бактерії набувають нових гени?

Виявляється, бактерії використовують хитрий трюк: горизонтальний перенос генів, або обмін генетичним матеріалом без відтворення. Є кілька способів, які використовують бактерії для цього. Один спосіб включає збір генетичного матеріалу з навколишнього середовища поза клітиною – з інших мікробів і бактерій (через молекули під назвою плазміди). Інший спосіб – віруси, які використовують бактерії в якості будинку. Заражаючи нову бактерію, віруси залишають генетичний матеріал попередньої бактерії в новій.

Обмін генетичним матеріалом дає бактеріям гнучкість до адаптації, і вони адаптуються, якщо відчувають стресові зміни в навколишньому середовищі, такі як нестача продовольства або хімічні зміни.

Розуміння того, як адаптуються бактерії, надзвичайно важливо для боротьби з ними та створення антибіотиків в медицині. Бактерії можуть обмінюватися генетичним матеріалом так часто, що часом лікування, яке працювало раніше, вже не працює.

Ні високих гір, ні великої глибини

Якщо задатися питанням «де бактерії?», Простіше запитати «де бактерій ні?».

Бактерії виявляються практично скрізь на Землі. Неможливо уявити кількість бактерій на планеті одночасно, але за деякими оцінками їх число становить (бактерій і архей разом) 5 октілліонов – це число з 27 нулями.

Класифікація видів бактерій надзвичайно складна зі зрозумілих причин. Зараз є приблизно 30 000 офіційно ідентифікованих видів, але база знань постійно зростає, і є думки, що перед нами тільки верхівка айсберга від усіх видів бактерій.

Правда в тому, що бактерії були навколо протягом дуже довгого часу. Вони породили одні з найдавніших скам’янілостей, яким 3,5 мільярда років. Результати наукових досліджень дозволяють припустити, що ціанобактерії почали створювати кисень приблизно 2,3-2,5 мільярда років тому в світовому океані, наситивши атмосферу Землі киснем, яким ми дихаємо донині.

Бактерії можуть виживати в повітрі, воді, ґрунті, льоді, на спеці, на рослинах, в кишечнику, на шкірі – скрізь.

Деякі бактерії є Екстремофіли, тобто можуть протистояти екстремальних умов, коли або дуже жарко або холодно, або відсутні поживні речовини і хімікати, які ми зазвичай асоціюємо з життям. Дослідники виявили такі бактерії в Маріанської западини, найглибшій точці на Землі на дні Тихого океану, біля гідротермальних джерел у воді і в льоду. Зустрічаються також бактерії, які люблять високу температуру – такі, наприклад, фарбують опалесцирующий басейн в Єллоустонський національний парк.

Погані (для нас)

Хоча бактерії роблять важливий внесок у здоров’я людини і планети, у них є і темна сторона. Деякі бактерії можуть бути патогенними, тобто викликати захворювання та хвороби.

Протягом історії людства деякі бактерії (зрозуміло чому) отримали погану репутацію, викликавши паніку і істерію. Взяти, приміром, чуму. Бактерія, яка викликає чуму – чумна паличка Yersinia pestis – не тільки вбила більше 100 мільйонів чоловік, але і, можливо, зробила свій внесок у розпад Римської імперії. До появи антибіотиків, ліків, які сприяють боротьбі з бактеріальними інфекціями, їх було дуже складно зупинити.

Навіть сьогодні ці патогенні бактерії серйозно нас лякають. Завдяки виробленню стійкості до антибіотиків, бактерії, що викликають сибірську виразку, пневмонію, менінгіт, холеру, сальмонельоз, ангіну та інші хвороби, які ще й залишаються поруч з нами, завжди становлять небезпеку для нас.

Особливо вірно це для золотистого стафілокока, бактерії, відповідальної за стафілококові інфекції. Ця «сверхбактерія» призводить до появи численних проблем в клініках, оскільки пацієнти вельми часто підхоплюють цю інфекцію при впровадженні медичних імплантатів та катетерів.

Ми вже говорили про природний добір і про те, що деякі бактерії виробляють різноманітні гени, які допомагають їм впоратися з умовами навколишнього середовища. Якщо у вас є інфекція, і деякі з бактерій у вашому тілі відрізняються від інших, антибіотики можуть вразити більшу частину популяції бактерій. Але ті бактерії, які виживуть, вироблять стійкість до ліків і залишаться, чекаючи наступного шансу. Тому лікарі рекомендують завершувати курс антибіотиків до кінця, та й взагалі звертатися до них якомога рідше, тільки в крайньому випадку.

Біологічна зброя – ще один лякаючий аспект цієї бесіди. Бактерій можна використовувати як зброю в деяких випадках, зокрема, сибірську виразку так і використовували в один час. Крім того, не тільки люди страждають від бактерій. Окремий вид – Halomonas titanicae – проявив апетит до затонулого океанського лайнеру «Титанік», роз’їдаючи метал історичного корабля.

Звичайно, бактерії можуть приносити не тільки шкоду.

Героїчні бактерії

Давайте вивчимо хорошу сторону бактерій. Зрештою, ці мікроби подарували нам такі смачні продукти, як сир, пиво, закваску та інші ферментовані елементи. Вони також покращують здоров’я людей і використовуються в медицині.

Окремих бактерій можна подякувати за формування людської еволюції. Наука збирає все більше даних про мікрофлору – мікроорганізмах, які живуть в наших тілах, особливо в травній системі і кишечнику. Дослідження показують, що бактерії, нові генетичні матеріали і різноманітність, яке вони приносять в наші тіла, дозволяють людям адаптуватися до нових джерел їжі, які раніше не використовувалися.

Подивимося на це з іншого боку: вистілая поверхню вашого шлунка і кишечника, бактерії «працюють» на вас. Коли ви їсте, бактерії та інші мікроби допомагають вам розбивати і добувати поживні речовини з їжі, особливо вуглеводи. Чим різноманітніше бактерії, яких ми споживаємо, тим більше різноманітності отримують наші тіла.

Хоча наші знання про наших же мікроби дуже мізерні, є підстави вважати, що відсутність деяких мікробів і бактерій в організмі може бути пов’язано зі здоров’ям, метаболізмом і сприйнятливості до алергенів людини. Попередні дослідження на мишах показали, що метаболічні захворювання на зразок ожиріння пов’язані з різноманітністю і здоровою мікрофлорою, а не нашої переважною точкою зору «калорії приходять, калорії йдуть».

Зараз активно досліджуються можливості впровадження певних мікробів і бактерій в організм людини, які можуть дати певні переваги, проте на момент написання статті загальні рекомендації щодо їх використання поки не були встановлені.

Крім того, бактерії зіграли важливу роль у розвитку наукової думки і людської медицини. Бактерії відіграли провідну роль у розвитку постулатів Коха 1884, які призвели до загального розуміння того, що хвороби викликаються певним видом мікробів.

Дослідники, що вивчали бактерії, випадково відкрили пеніцилін – антибіотик, який врятував безліч життів. Також зовсім недавно у зв’язку з цим був відкритий легкий спосіб редагувати геном організмів, який може здійснити революцію в медицині.

По суті, ми тільки починаємо розуміти, як отримувати користь з нашого співжиття з цими маленькими друзями. До того ж незрозуміло, хто справжній господар Землі: люди або мікроби.