Rola prokariota w przyrodzie i życiu człowieka.

Organizmy żywe dzielimy na dwie duże grupy, pierwszą są organizmy nie posiadające w swoich komórkach jądra, drugą grupą są organizmy z dobrze wykształconym jądrem komórkowym.

Bakterie zaliczamy do pierwszej grupy. Są to organizmy wchodzące w skład Prokariota. Materiał genetyczny tych organizmów stanowi kolista cząsteczka, dwuniciowego DNA, która nie jest otoczona żadną błoną komórkową. Materiał genetyczny bakterii wraz z białkami, które utrzymują kształt kolistej struktury DNA, nazywany jest u bakterii nukleoidem. Kwasy nukleinowe bakterii połączone są z rybosomami, przez co możliwe jest bardzo szybkie wykorzystywanie zawartych w niej informacji.

Organizmy bakteryjne spotykamy we wszystkich środowiskach. Mogą one egzystować nawet w najbardziej szkodliwych dla innych organizmów warunkach, gdyż posiadają znaczne zdolności przystosowawcze. Mówiąc często o bakteriach mówimy, iż są to organizmy kosmopolityczne.

Jednakże różne odmiany i gatunki bakterii są w stanie zamieszkiwać tylko niektóre środowiska. Większość bakterii jest wyspecjalizowana i może przebywać tylko w odpowiednich warunkach pokarmowych , tlenowych czy temperaturowych. Taka specjalizacja dotyczy szczególnie bakterii pasożytniczych. Wyspecjalizowanie bakterii do niektórych tylko warunków środowiska ogranicza ich rozmnażanie się w innych środowiskach, nie oznacza jednak śmierci komórki.

Najliczniejszym pod względem występowanie bakterii środowiskiem jest gleba. W jednym tylko jej gramie może występować około 0,9 tyś komórek bakteryjnych.

Najwięcej bakterii lokalizuje się w warstwie, która otacza korzenie roślin, czyli w ryzosferze. Duża liczba bakterii zamieszkuje także wody. Ich ilość zależy jednak od jej zasolenia, temperatury, natlenienia oraz od zawartości substancji pokarmowych. W jednym mililitrze wody może być nawet jeden milion komórek prokariotycznych. W środowisku wodnym duża różnorodność pod względem liczby gatunków cechuje warstwy denne. Środowiskiem dość licznie zasiedlanym przez bakterie jest wnętrze oraz powierzchnia innych organizmów. Bakterie te są najczęściej komensalami, aczkolwiek mogą wśród nich występować gatunki chorobotwórcze.

Granica pomiędzy komensalizmem a pasożytnictwem w przypadku bakterii jest jednak bardzo nieostra. Jeśli organizm jest osłabiony to bakteria, która u dobrze funkcjonującego organizmu jest nieszkodliwa może okazać się zdradziecka i wywołać chorobę.

Sytuacja taka może wystąpić w przypadku Escherichii coli, czyli pałeczki okrężnicy, która żyje w jelicie cienkim. W wyniku osłabienia organizmu dochodzi do wystąpienia objawów chorobowych, charakterystycznych dla zakażenia tymi bakteriami.

Jeśli warunki są niesprzyjające i uniemożliwiają rozmnażanie się i życie bakterii to może dojść do przejścia jej w formę przetrwalnikową. Przetrwalniki możemy spotkać w każdym środowisku w tym również w powietrzu.

Powietrze nie jest środowiskiem życia bakterii, gdyż nie zachodzą tu żadne procesy życiowe.

Pod względem kształtu komórki bakterie są mało zróżnicowane. Spotykamy komórki pojedyncze ale także tworzące skupienia, które mogą mieć kilka podstawowych kształtów. Wyróżnia się bakterie o kształcie kolistym, podłużnym, cylindrycznym, rozgałęzionym, spiralnym i in.

Komórki bakteryjne mogą tworzyć struktury kolonijne. Do najbardziej powszechnych należą gronkowce czy dwoinki.

Budowa bakterii.

Komórka bakteryjna jest samowystarczalna. Oznacza to, że ma wszystkie struktury komórkowe, które warunkują prawidłowe jej funkcjonowanie. We wszystkich komórkach bakteryjnych występuje błona komórkowa, która ma jednak inny skład niż błona lipidowa występująca w komórkach eukariotycznych. Nie ma w niej bowiem cholesterolu ani tak znacznego zróżnicowania pod względem fosfolipidów. Organellami, które występują u wszystkich komórek bakteryjnych są również mezosomy, stanowiące centra energetyczne bakterii, oraz rybosomy, biorące udział w biosyntezie białka oraz cytoplazma, w której przebiegają wszystkie procesy życiowe bakterii. Większość bakterii posiada ścianę komórkową. Zbudowana jest ona z innych substancji chemicznych niż ściana u Eucariota. U niektórych bakterii mogą występować rzęski lub fimbrie. Są to niewielkie cienkie wyrostki, które mogą służyć jako struktury przytwierdzające do podłoża. Specyficznym rodzajem fimbrii są pili płciowe. Służą one do rozpoznawania innych osobników, zwłaszcza tych "przeciwnej płci". Niektóre komórki bakteryjne posiadają na swojej powierzchni otoczkę śluzową. Te bakterie, które są w stanie syntetyzować pokarm samodzielnie mają w komórce dodatkowe struktury zwane chromatoforami.

W komórce bakteryjnej bardzo często można również spotkać niewielkie koliste cząsteczki zwane plazmidami. Są to cząsteczki DNA, których występowanie związane jest z płcią oraz z opornością na niektóre antybiotyki.

U bakterii nie obserwuje się ruchów cytoplazmy, gdyż jest ona bardzo gęsta.

W odróżnieniu od komórki eukariotycznej u bakterii nie ma aparatów Golgiego ani tez siateczki śródplazmatycznej. Na obszarze cytoplazmy można natomiast spotkać ziarna materiałów zapasowych takich jak glikogen, wolutyna czy tłuszcze.

Niektóre gatunki bakterii posiadają po zewnętrznej stronie ściany otoczkę, zbudowaną zazwyczaj z węglowodanów. Jej średnica może czasem przewyższać średnicę całej komórki. Czasami spotyka się struktury, utworzone przez kilka komórek, które otoczone są wspólną otoczką śluzową. Struktura ta zabezpiecza bakterie przez wysychaniem, gdyż potrafi magazynować i chłonąć wodę. U bakterii chorobotwórczych otoczka spełnia role ochronną, w reakcjach alergicznych.

Ciałka chromatoforowe są odpowiednikiem chloroplastów. Maja one owalny albo wydłużony kształt a wewnątrz nich zgromadzone są barwniki oraz enzymy fotosyntetyczne.

Struktury te charakterystyczne są dla bakterii fotosyntetyzujących. Komórki bakteryjne mogą czasami wykazywać zabarwienie zupełnie nie związane z barwnikami niezbędnymi w fotosyntezie. Kolonie Pałeczki cudownej bardzo przypominają swoim kolorem krople krwi.

Bakterie należące do grupy laseczek posiadają zdolność do tworzenia przetrwalników. Formy te mogą bardzo długo pozostawać w niekorzystnych warunkach a pomimo to nadal są w stanie odtworzyć swój metabolizm i prowadzić procesy życiowe.

Sposoby odżywiania się bakterii.

Dzięki procesowi odżywiania możliwe jest dostarczenie ustrojowi niezbędnych związków pokarmowych. Stanowią one wyjściowy punkt do syntezy potrzebnych substancji oraz cenne źródło energii, potrzebnej do prowadzenia procesów życiowych.

Sposoby odżywiania się bakterii są bardzo różne. Niektóre bakterie mogą wykorzystywać wiele źródeł pokarmu. Żywią się tym , co dostępne jest aktualnie w środowisku. Prokariota mogą zarówno cudzo jak i samożywne, tlenowe lub beztlenowe.

Pod względem odżywiania organizmy te dzielimy na heterotrofy oraz autotrofy. Wśród heterotrofów spotykamy pasożyty i saprofity, natomiast autotrofy dzielą się na chemoautotrofy i fotoautotrofy.

Do bakterii chemosyntetyzujących należą bakterie nitryfikacyjne, wodorowe czy siarkowe. Wśród autotrofów występuje jeszcze jeden podział na beztlenowe i tlenowe.

Aby doszło do wytworzenia skomplikowanych związków organicznych niezbędna jest znaczna ilość energii. Heterotrofy pozyskują ja z reakcji utleniania a autotrofy korzystają bezpośrednio z energii światła słonecznego.

U bakterii fotosyntetyzujących występuje chlorofil albo bakteriochlorofil wraz z barwnikami dodatkowymi, którymi są karotenoidy.

U sinic przebieg fotosyntezy jest podobny. Wodór wykorzystywany w reakcji pochodzi od wody a dwutlenek węgla z powietrza. Sinice tak jak rośliny wydzielają jako produkt uboczny cząsteczkę tlenu.

Bakteriami, które wykazują dużą plastyczność biochemiczną są bakterie purpurowe i zielone. Mogą one oddychać tlenowo oraz beztlenowo oraz wytwarzać pokarm w reakcjach typowych dla autotrofów lub pobierać go wprost z otoczenia.

Oddychanie komórki bakteryjnej.

Oddychanie to proces utleniania substancji organicznych, w czasie którego dochodzi do powstania związków nieorganicznych takich jak woda czy dwutlenek węgla oraz do uwolnienia energii, która jest najczęściej magazynowana w formie ATP, czyli adenozynotrifosforanu.

U bakterii spotykamy dwa rodzaje oddychania, tlenowe i beztlenowe. W czasie oddychania tlenowego następuje rozkład związku organicznego, którym najczęściej jest glukoza, do prostych substancji. Proces ten przebiega w obecności tlenu. Procesy oddychania tlenowego pozwalają na uzyskanie znacznej ilości energii.

Oddychanie beztlenowe nie jest już tak bardzo wydajnym procesem , zwłaszcza jeśli chodzi o ilość wytworzonej energii. Oddychanie beztlenowe dzielimy dodatkowo na fermentację oraz oddychanie beztlenowe przebiegające podobnie do tlenowego, tyle tylko, że zamiast tlenu wykorzystywany jest inny związek.

Wyróżniamy kilka rodzajów fermentacji. W zależności od związków, które powstają w końcowych etapach fermentacje dzielimy na:

- mlekową ( jednym z końcowych produktów reakcji jest kwas mlekowy),

- alkoholową ( w wyniku reakcji powstaje alkohol),

- masłową ( oprócz energii powstaje również kwas masłowy).

Reakcje rozkładu aminokwasów oraz białek, które przebiegają beztlenowo nazywamy gniciem.

Kolejny, wymieniony już powyżej sposób oddychania beztlenowego polega na redukcji innego niż tlen związku nieorganicznego. Do najczęściej wykorzystywanych przez bakterie związków należą: azotany, siarczany, metan czy związki żelazowe. Ten sposób jest wydajniejszy od fermentacji a ilość pozyskiwanej energii podobna do tej, która powstaje w czasie oddychania tlenowego.

Rozmnażanie się bakterii.

Organizmy bakteryjne są haplontami. Oznacza to, że maja pojedynczy zestaw genów. Prokariota rozmnażają się głównie w sposób bezpłciowy, na drodze podziału komórki. Czasem może występować paczkowanie komórki macierzystej. Szybkość podziału pojedynczej komórki zależy od zawartości składników pokarmowych w środowisku od warunków tam panujących. W hodowli laboratoryjnej, gdzie występują optymalne warunki środowiska bakteria jest w stanie dzielić się nawet co 20 min. W naturze podział ten jest jednak zazwyczaj wolniejszy.

U bakterii nie ma rozmnażania płciowego ale można spotkać procesy płciowe. W wyniku procesu płciowego nie ma zwiększenia się liczby komórek bakterii, ale dochodzi do wymiany materiału genetycznego, co powoduje zwiększenie różnorodności genetycznej wśród bakterii a tym samym lepsze przystosowanie się do środowiska.

Przenoszenie materiału genetycznego możliwe jest dzięki trzem procesom, do których należy transformacja, koniugacja i transdukcja.

Pierwszy proces polega na pobieraniu obcego materiału genetycznego ze środowiska i włączeniu go do własnego DNA. Proces ten wykorzystywany jest w warunkach laboratoryjnych do syntezy obcych substancji. Jest to jedna z podstawowych metod inżynierii genetycznej.

Koniugacja natomiast polega na tymczasowym łączeniu się komórek męskiej i żeńskiej przez tzw. pili płciowe. W czasie tego procesu dochodzi do wymiany materiału genetycznego i włączeniu go poprzez proces rekombinacji do genomu komórki biorcy. Po podziale tej komórki powstają dwie komórki potomne o innym składzie genetycznym niż występujący pierwotnie.

Transdukcja jest natomiast przenoszeniem fragmentów DNA przez bakteriofagi. Czasami przy opuszczaniu komórki bakteryjnej przez wirusa, dochodzi do pomyłkowego zapakowania części DNA bakteryjnego, który w czasie kolejnej infekcji może być włączony do materiału genetycznego innej komórki bateryjnej.

Znaczenie Prokariota.

Bakterie stanowią jedno z najważniejszych ogniw w krążeniu materii. Są to destruenci, którzy rozkładają martwe szczątki organiczne do prostych substancji nieorganicznych, które wykorzystywane są przez inne organizmy a w szczególności przez rośliny.

Działalność bakterii zapewnia stały przepływ materii, dzięki czemu Ziemia nie jest "zawalana" martwymi ciałami zwierząt i roślin.

Organizmy bakteryjne bardzo często wchodzą w związki z organizmami, zarówno roślinnymi jak i zwierzęcymi. Najbardziej popularnym związkiem jest symbioza bakterii azotowych z roślinami motylkowymi.

Bakterie te żyją w strukturach przypominający brodawki, zlokalizowanych na korzeniach takich roślin jak łubin, fasola czy groch.

Bakterie te w zamian za niektóre substancje pokarmowe oddają roślinom część związanego przez siebie azotu atmosferycznego.

W świecie zwierząt symbioza z bakteriami jest równie częsta. U przeżuwaczy, bakterie w zamian za niewielkie ilości pokarmu prowadzą rozkład celulozy, która nie jest normalnie rozkładana przez większość roślinożerców.

W układzie pokarmowym człowieka bakterią symbiotyczną jest Eschelichia coli, czyli pałeczka okrężnicy. Bakteria ta bytuje najczęściej w jelicie grubym i jest stałą florą bakteryjną człowieka. w zamian za pokarm rozkłada nie strawione przez człowieka resztki oraz wytwarza niektóre witaminy, w tym B i K.

Bytując w jelitach bakteria ta zabezpiecza poniekąd przed infekcja innych, zjadliwych bakterii, gdyż zapełnia tę nisze ekologiczną. Granica pomiędzy działaniem pozytywnym bakterii jest bardzo krucha, gdyż nawet w czasie niewielkiego osłabienia organizmu może dojść do ujawnienia się ich zjadliwości.

Bakterie wykorzystywane są bardzo często w przemyśle spożywczym. Stosuje się je do produkcji serów, jogurtów i kefirów. Biorą one także udział w procesie kwaszenia ogórków czy kapusty.

Bakterie wykazują jednak częściej działanie negatywne. To właśnie bakterie są przyczyną psucia się żywności. Celem zapobieżenia psuciu , produkty żywnościowe poddaje się wielu procesom, które mają za zadanie zniszczenie bakterii oraz ich przetrwalników. Najczęściej wykorzystuje się pasteryzację, solenie, zamrażanie, chłodzenie czy też dodaje się różnego rodzaju substancje chemiczne, działające hamująco na rozwój bakterii.

Bakterie wykorzystuje się także w przemyśle chemicznym. Są one bowiem źródłem wielu cennych substancji takich jak kwasy organiczne, witaminy czy aminokwasy.

Bakterie bardzo często wykorzystuje się w biologicznym oczyszczaniu ścieków, gdyż są one podstawowym składnikiem " czynnego" osadu.

Bakterie maja zdolność rozkładania wielu szkodliwych metabolitów i związków przemiany materii.

Niektóre bakterie wykorzystuje się w biotechnologii i w medycynie. Cechą bakterii jest wytwarzanie substancji, o działaniu hamującym wzrost innych bakterii. Do najważniejszych związków należą antybiotyki takie jak tetracyklina i streptomycyna.

Bakterie także wykorzystywane są do produkcji dekstranu, będącego podstawowym węglowodanem w płynie krwiozastępczym.

Niektóre gatunki bakterii wykorzystuje się w inżynierii genetycznej. Z bakterii izoluje się bowiem enzymy restrykcyjne, które służą do nacinania DNA w specyficznych miejscach. Enzymy te są niezwykle cenne w procesie klonowania genów.

Do materiału genetycznego bakterii można wstawić obcy fragment DNA. Najczęściej wprowadza się do komórki bakteryjnej gen odpowiedzialny za syntezę danego białka. Jest ono dzięki temu syntetyzowane i może być następnie wykorzystywane. Obecnie trwają badania nad uzyskaniem szczepionki przeciwko AIDS.

Część spośród wszystkich gatunków bakterii wykazuje jednak działanie bardzo szkodliwe. Jest bowiem przyczyną wielu groźnych chorób roślin, zwierząt oraz człowieka.

U roślin choroby bakteryjne objawiają się najczęściej gniciem, więdnięciem oraz powstawaniem narośli.

Choroby atakujące zwierzęta przypominają bardzo często choroby bakteryjne człowieka. Objawy chorobowe są wynikiem albo intensywnego namnażania się bakterii w tkankach albo są wynikiem bardzo dużej ilości szkodliwych toksyn bakteryjnych.

Toksyny bakteryjne dzielimy na dwie grupy. Mogą to być egzotoksyny, czyli jady wydzielane poza komórkę lub endotoksyny, które uwalniane są w wyniku rozpadu komórki bakteryjnej.

Czasami zdarza się tak, że bakterie nie wnikają do komórek, ale ich jady wraz z krwią opanowują cały organizm i powodują występowanie choroby oraz uszkodzenie komórek i tkanek.

Człowiek nauczył się opanowywać niektóre choroby bakteryjne, dzięki wykorzystywaniu szczepionek.

Pomimo, iż bakterie należą do najmniejszych organizmów występujących na Ziemi, to ich znaczenie jest jednak ogromne.