BAKTERIE

Bakterie to mikroskopijne, prymitywne organizmy jednokomórkowe, stanowiące odrębne królestwo świata żywego.

Wszystkie bakterie można podzielić na dwie grupy: Archaebacteria oraz Eubacteria.

Archaebacteria to grupa wyraźnie różniąca się od pozostałych bakterii. Nie mają one w ścianie komórkowej peptydoglikanu, charakterystycznego dla bakterii, nie posiadają również wielu specyficznych enzymów. Dziś Archaebacteria występują w środowiskach ekstremalnych, których warunki przypominają pierwotne warunki na Ziemi. Jest to dowodem na to, że grupa ta powstała bardzo dawno i przetrwała aż do dziś. W zależności od warunków, w jakich żyją, Archaebacteria to organizmy halofilne, metanogenne lub termoacidofilne. Halofile zamieszkują środowiska silnie zasolone. Metanogeny to organizmy beztlenowe, wytwarzające metan z dwutlenku węgla i wodoru, żyją na bagnach, w ściekach oraz wewnątrz przewodu pokarmowego zwierząt. Termoacidofile zamieszkują środowiska kwaśne i gorące- takie warunki panują np. w gorących źródłach siarkowych.

Do Eubacteria należą pozostałe bakterie, stanowiące zdecydowaną większość. Są one bardzo zróżnicowane zarówno pod względem budowy, jak i fizjologii. Bakterie mogą przyjmować różne kształty i na tej podstawie wyróżnia się typy morfologiczne: ziarniaki (kształt kulisty lub owalny), pałeczki (krótkie, cylindryczne), laseczki (długie, cylindryczne), przecinkowce (krótkie, wygięte), krętki i śrubowce (krótsze i dłuższe formy spiralne). Komórki bakteryjne mogą występować pojedynczo lub w formie kolonii - zgrupowania komórek również dzieli się pod względem morfologicznym. Mamy więc: paciorkowce (komórki ułożone łańcuszkowo jedna za drugą), gronkowce (nieregularne skupienia), dwoinki (połączenie dwóch komórek), pakietowce (regularnie ułożona większa ilość komórek).

Powszechnie uznawanym podziałem Eubacteria jest podział na Gram-dodatnie (Gram+) i Gram-ujemne (Gram-). Został on ustanowiony na podstawie reakcji barwnej, opracowanej przez duńskiego lekarza Christiana Grama. Reakcja ta polega na barwieniu bakterii fioletowym barwnikiem zawierającym jod, a następnie przemywanie ich alkoholem. Te bakterie, które zatrzymują fioletowy barwnik w ścianie komórkowej są Gram+, natomiast te, które pod wpływem alkoholu odbarwiają się i pozostają tylko jasnoróżowe to bakterie Gram-. Ta różnica między nimi wynika z budowy ściany komórkowej. Gram+ posiadają grubą warstwę peptydoglikanu. U Gram- peptydoglikanu jest mniej, a na zewnątrz komórki znajduje się warstwa lipopolisacharydowa.

Budowa komórki bakteryjnej

Budowa komórki bakteryjnej jest bardzo specyficzna, znacząco różni się od budowy komórek pozostałych organizmów żywych. Najważniejszą różnicą jest brak właściwego jądra komórkowego. Stąd też nazwa królestwa, do którego należą bakterie: Prokaryota. Pozostałe organizmy, posiadające właściwe jądro, należą do Eukaryota. Materiał genetyczny bakterii występuje w postaci koliście zwiniętej nici DNA, zwanej genoforem. DNA to leży bezpośrednio w cytoplazmie i nie jest otoczone żadną błoną - odpowiednikiem jądra jest więc obszar jądrowy zwany nukleoidem. Cytoplazma wraz z całą zawartością otoczona jest błoną białkowo-lipidową o właściwościach półprzepuszczalnych. W cytoplazmie rozsiane są małe rybosomy, ziarnistości zbudowane z białka i rRNA, na których zachodzi biosynteza białek. Odpowiednikami eukariotycznych mitochondriów są mezosomy - współśrodkowe uwypuklenia błony komórkowej, w których zachodzą procesy oddechowe. U bakterii fotosyntetyzujących występują także ciałka chromatoforowe, zawierające barwnik asymilacyjny - ciałka te również pochodzą z błony komórkowej, ale nie są z nią połączone. Komórka bakteryjna otoczona jest ścianą komórkową zbudowaną z peptydoglikanu, a na jej powierzchni często występuje dodatkowa otoczka śluzowa, pełniąca rolę ochrony przed szczególnie niekorzystnymi warunkami środowiska.

Fizjologia bakterii

Bakterie, mimo swej prostej budowy, jak wszystkie organizmy muszą wykonywać podstawowe funkcje życiowe. Musza więc odżywiać się i oddychać, by uzyskiwać energię potrzebną do rozmnażania się.

Odżywianie

Większość bakterii to organizmy cudzożywne (heterotroficzne), czyli pobierające pokarm z otoczenia. Sposób ich odżywiania polega na rozpuszczaniu podłoża za pomocą wydzielanych enzymów i wchłanianie przez błonę komórkową (na drodze osmozy i dyfuzji) otrzymanych tak prostych związków organicznych. W zależności od tego, czy pokarmem jest materia martwa czy też żywa tkanka innego organizmu, bakteria te zalicza się do saprofitów lub pasożytów.

Część bakterii posiada zdolność samodzielnego wytwarzania organicznych związków pokarmowych ze związków mineralnych (autotrofizm). Chemoautotrofy produkują związki organiczne, wykorzystując do tego energię z utleniania związków nieorganicznych, np. związków żelaza, azotu czy siarki. Fotoautotrofy czerpią energię z promieniowania słonecznego, podobnie jak rośliny zielone i przy jej pomocy przekształcają związki mineralne w organiczne związki pokarmowe.

Oddychanie

Oddychanie to podstawowy proces uwalniający energię, niezbędną do wszelkich innych czynności życiowych. Oddychanie polega na utlenianiu związków chemicznych i może zachodzić tlenowo lub beztlenowo.

Oddychanie tlenowe (aerobowe) przebiega tak samo, jak u organizmów wyższych. Tlen atmosferyczny jest ostatecznym akceptorem przenoszonych elektronów, a jako produkty oddychania powstaje dwutlenek węgla i woda. Uwalniane są przy tym duże ilości energii, wykorzystywanej na potrzeby komórki.

Oddychanie beztlenowe (anaerobowe), zwane też fermentacją, nie wymaga obecności tlenu, a przeważnie zostaje zahamowane pod jego wpływem. Również polega ono na utlenianiu związków organicznych, lecz nie zachodzi ono do końca, tj. do otrzymania CO2. Produktami są prostsze związki organiczne (np. alkohol czy kwasy organiczne) i niewielka ilość dwutlenku węgla.

Rozmnażanie

Bakterie rozmnażają się w sposób bezpłciowy. Kontakty "płciowe", takie jak np. koniugacja, nie prowadzą do zwiększenia ilości osobników, lecz do wymiany materiału genetycznego. Liczebność koloni bakterii zwiększa się w wyniku podziałów komórkowych, które w sprzyjających warunkach mogą zachodzić co 20 minut. Najpierw podwaja się ilość materiału genetycznego. Następnie wytwarza się przewężenie, które pogłębia się stopniowo aż do momentu rozdzielenia się obu komórek potomnych. Czasami komórka potomna powstaje na drodze pączkowania z komórki macierzystej.

W niesprzyjających warunkach środowiska bakterie giną lub przechodzą w formę przetrwalnikową. Nie wszystkie gatunki to potrafią. Wytworzenie przetrwalnika polega na silnym odwodnieniu cytoplazmy, prawie całkowitym wstrzymaniu procesów metabolicznych i otoczeniu komórki grubą osłonką. W tym stanie bakteria może przetrwać nawet kilkadziesiąt lat, a gdy warunki środowiska staną się sprzyjające - przechodzi w formę wegetatywną, aby dalej się rozmnażać.

Znaczenie bakterii

Bakterie występują w przyrodzie tak powszechnie i w takich ilościach, że ich rola jest niebagatelna. Z punktu widzenia człowieka, pełnią one zarówno rolę pozytywną, jak i negatywną. Pozytywna ich działalność wynika z tego, że są naturalnym elementem ekosystemów, poza tym niektóre ich właściwości zostały wykorzystane w gospodarce ludzkiej. Negatywna rola bakterii wiąże się głównie z wywoływanymi przez nie chorobami człowieka, zwierząt i roślin oraz psuciem się żywności.

Bakterie chorobotwórcze

Bakterie chorobotwórcze to organizmy pasożytnicze, bytujące w innych organizmach żywych, czym prowadzą do ich znacznego osłabienia, a nawet śmierci. Objawy choroby pojawiają się z trzech możliwych przyczyn:

  • bardzo duża ilość komórek bakteryjnych, będąca wynikiem szybkiego namnażania się; wszystko to są ciała obce dla organizmu, więc wyzwalana jest silna reakcja immunologiczna
  • niszczenie tkanek, zużywanych przez bakterie jako pokarm
  • zatrucie toksynami, wydzielanymi przez bakterie

Walka z chorobami bakteryjnymi prowadzona jest za pomocą profilaktycznych szczepień ochronnych. Ważna jest również dbałość o higienę swego otoczenia i dezynfekcja szczególnie narażonych przedmiotów, mogących przenosić bakterie. Choroby zwalcza się terapią antybiotykową. Wiele groźnych chorób bakteryjnych wyeliminowano całkowicie, jednak mimo wszystko, nie da się uniknąć chorób lżejszych, bardzo rozpowszechnionych. Ciągle też zdarzają się masowe zachorowania, jak np. przypadek czerwonki w przedszkolu w Szczecinie.

Istnieje również wiele groźnych chorób występujących u zwierząt. Szybko one rozprzestrzeniają się w hodowlach do rozmiarów epidemii, co powoduje znaczne straty gospodarcze. Przykładowo można tu wymienić nosówkę czy wąglik.

Bakterie chorobotwórcze mogą przenosić się między ludźmi i zwierzętami różnymi drogami: drogą kropelkową, przez bezpośredni kontakt, przez zakażone przedmioty lub za pośrednictwem owadów (muchy, pchły, wszy, kleszcze, karaluchy).

Straty gospodarcze powodują również bakteryjne choroby dotykające uprawy roślin. Istnieje około 200 gatunków bakterii wywołujących różnego rodzaju bakteriozy roślinne.

Bakterie w przyrodzie

Jak już wspomniano, bakterie są naturalnym elementem ekosystemów. Stanowią ważne ogniwo w łańcuchach troficznych - rozkładają martwą materię organiczną, dzięki czemu przywracają do obiegu pierwiastki biogenne. Niewiele z tego zużywają same, więc rośliny (pierwsze ogniwo w łańcuchu) otrzymują dużą pulę biogenów. Bakterie jako jedyne mikroorganizmy potrafią rozkładać celulozę (składnik ścian komórek roślinnych). Pewną rolę odgrywają również bakterie fermentujące.

Działalność bakterii ma też znaczenie sanitarne dla środowiska, ponieważ rozkładają one wiele związków szkodliwych do substancji prostych, które mogą być ponownie wykorzystane.

Nie jest regułą, że jeśli bakteria wchodzi w kontakt z innym organizmem, to jest to wpływ szkodliwy. W przyrodzie funkcjonuje wiele związków symbiotycznych bakterii z roślinami i zwierzętami. Symbioza polega na tym, że obie strony odnoszą korzyści z takiego współżycia. Przykładem symbiozy może być współżycie roślin motylkowych z bakteriami, tworzącymi brodawki na ich korzeniach. Bakterie czerpią związki odżywcze, w zamian wiążąc azot atmosferyczny. Innym przykładem symbiozy są bakterie zasiedlające przewód pokarmowy zwierząt i człowieka, gdzie trawią celulozę oraz wytwarzają niektóre witaminy (B i K), w zamian czerpiąc substancje pokarmowe bezpośrednio z jelita.

Bakterie w gospodarce człowieka

Niektóre właściwości bakterii zostały wykorzystane przez człowieka w różnych dziedzinach gospodarki. Oto niektóre przykłady:

  • ochrona środowiska - bakterie rozkładają zanieczyszczenia organiczne w oczyszczalniach ścieków
  • rolnictwo - rozkładają odpady organiczne, poprawiając żyzność gleby oraz przyspieszają tworzenie się próchnicy, poprawiają strukturą gleby
  • przemysł spożywczy - w wyniku fermentacji powstają kiszone ogórki i kapusta, ocet, jogurty, alkohol
  • farmaceutyka - produkcja witamin oraz antybiotyków

WIRUSY

Wirusy to organizmy klasyfikowane na pograniczu świata ożywionego i nieożywionego. Cechą charakterystyczną dla organizmów żywych jest u nich namnażanie się, jednak nie prowadzą one procesów metabolicznych. Są bezwzględnymi pasożytami - nie mogą przeżyć poza organizmem gospodarza.

Budowa wirusów

Wirusy nie mają budowy komórkowej, w przeciwieństwie do wszystkich organizmów żywych. Składają się jedynie z kwasu nukleinowego (DNA lub RNA) i otoczki białkowej. Nie posiadają poza tym żadnych struktur wewnętrznych, gdzie mogłyby zachodzić procesy metaboliczne. Jedynym przejawem "życia" wirusów jest namnażanie się, lecz i tego procesu nie prowadzą samodzielnie, ale wykorzystują komórkę gospodarza.

Wirusy klasyfikuje się ze względu na ich wielkość, kształt, obecność dodatkowej osłonki oraz rodzaj kwasu nukleinowego.

Wielkość wirusa nie przekracza 0,25μm. Podstawą jego budowy jest cząsteczka kwasu nukleinowego oraz białkowy płaszcz, zwany kapsydem. Kwas nukleinowy może występować w formie nici pojedynczej lub podwójnej, kolistej lub liniowej. Może być to RNA lub DNA, nigdy oba jednocześnie. Genom wirusów nie jest duży, zawiera od kilku do kilkuset genów. Wystarcza to jednak do tego, by zrealizować program namnażania.

Białkowy kapsyd składa się z wielu podjednostek - kapsomerów. Kształt kapsydu może być wielościenny lub pałeczkowaty. Niektóre wirusy mają na kapsydzie dodatkowe osłonki. Charakterystyczną budowę mają wirusy atakujące bakterie, tzw. bakteriofagi. Składają się one przeważnie z wielościennej główki i ogonka z włókienkami, służącego do przytwierdzenia się do komórki. Większość naszej wiedzy na temat wirusów pochodzi właśnie z badań nad bakteriofagami, które jest łatwo hodować laboratoryjnie w koloniach bakteryjnych.

Ciekawą cechą wirusów jest możliwość otrzymania ich w formie krystalicznej. Wówczas układają się one w symetryczny wzór o gładkiej powierzchni. Krystalizacja nie zabija wirusów - formy takie odzyskują aktywność po wprowadzeniu do żywej komórki i normalnie się namnażają.

Działanie wirusów

Wszystkie wirusy są bezwzględnymi pasożytami i wywołują chorobę, a nawet śmierć zainfekowanego organizmu. Atakują każdy rodzaj komórek - bakteryjne, roślinne i zwierzęce.

W przebiegu infekcji wirusowej można wyróżnić kilka etapów:

  • Adsorpcja - połączenie się wirusa ze ścianą lub błoną komórki
  • Wnikanie - przedostanie się kwasu nukleinowego do wnętrza komórki
  • Replikacja - wirus wykorzystuje komórkę gospodarza do replikacji własnego materiału genetycznego i syntezy białek kapsydu
  • Składanie - elementy wirusowe zostają połączone w kompletne wirusy
  • Uwalnianie (liza) - komórka gospodarza ulega rozerwaniu a nowo powstałe wirusy zostają uwolnione, by infekować następne komórki

Adsorpcja wirusa do ściany komórki gospodarza jest możliwa dzięki swoistym receptorom, rozpoznającym odpowiednie miejsca na komórce gospodarza. Są to albo wystające z kapsydu włókna, albo glikoproteinowe wypustki wystające z otoczki lipoproteinowej. Bakteriofagi są specyficzne gatunkowo, tzn. atakują tylko jeden gatunek bakterii. Wirus odry posiada receptory dla wielu różnych typów tkanek, a wirus porażenia dziecięcego atakuje tylko określony typ tkanki.

Po tym rozpoznaniu następuje wniknięcie całego wirusa (wraz z otoczką białkową) do komórki lub samo wprowadzenie materiału genetycznego. Może to nastąpić w wyniku reakcji chemicznej ze ścianą komórkową lub fuzji błony cytoplazmatycznej z otoczką lipoproteinową wirusa. Wirus może też zostać wchłonięty na drodze endocytozy. Wnikaniu sprzyjają istniejące uszkodzenia komórki oraz użądlenia i ugryzienia owadów.

Głównym elementem wirusowym jest materiał genetyczny, dlatego kapsyd białkowy czasami wnika do komórki, a czasami nie. Najważniejsze, by dostał się tam DNA (lub RNA). Jeśli wirus zawiera DNA, wówczas po infekcji z łatwością wbudowuje się on w DNA komórki gospodarza i razem z nim ulega replikacji. Jeśli wirus wprowadził RNA, są dwie drogi: albo bezpośrednio na jego matrycy następuje synteza białek wirusowych na rybosomach gospodarza, albo RNA ulega tzw. odwrotnej transkrypcji (przy udziale enzymu: odwrotnej transkryptazy), czyli przepisaniu informacji z RNA na DNA. Tak powstały DNA włącza się do genomu gospodarza. Wirusy działające w ten drugi sposób to retrowirusy.

Komórka zainfekowana syntetyzuje teraz białka kapsydu wirusa oraz replikuje jego materiał genetyczny. Następnie elementy te zostają złożone w jednostki wirusowe i następuje liza komórki, czyli jej rozerwanie, a nowo powstałe wirusy zostają uwolnione i infekują kolejne komórki.

Wirusy o dużej zjadliwości zaraz po wniknięciu do komórki przestawiają jej funkcjonowanie na syntezę własnych elementów. taki cykl namnażania nazywa się cyklem litycznym. Wirusy niezjadliwe przechodzą cykl lizogenny - włączają swój materiał genetyczny do genomu gospodarza i w utajeniu czekają na odpowiednie warunki (latencja). Dopiero po jakimś czasie następuje ich pobudzenie i przejście do cyklu litycznego.

Choroby wirusowe

Wirusy atakują każdy rodzaj komórek, powodują więc choroby roślin, zwierząt i ludzi. Szybkość ich namnażania się i łatwość rozprzestrzeniania powodują, że choroby wywoływane przez nie stanowią znaczne zagrożenie dla upraw roślinnych i hodowli zwierząt, a także dla ludzi (szczególnie groźne są epidemie!).

Choroby wirusowe roślin to m.in. mozaikowatość, plamistość, liściozwój, karłowatość, tworzenie narośli, zaburzenia owocowania. Wirusy wśród roślin przenoszone są przeważnie za pośrednictwem owadów zapylających. Mogą być też przenoszone przez nasiona lub przy rozmnażaniu wegetatywnym. W roślinie wirusy łatwo mogą rozprzestrzeniać się przez system przewodzący oraz przez plasmodesmy między komórkami (pasma cytoplazmy przechodzące przez ściany sąsiednich komórek). Nie wynaleziono do tej pory metody leczenia wirusowych chorób roślin. Zainfekowane osobniki są likwidowane (spalane), aby zapobiec rozprzestrzenianiu się infekcji na pozostałe rośliny. Cały czas trwają rozmaite badania biotechnologiczne, mające na celu otrzymanie odmian odpornych na działanie wirusów.

Ze szczególnie groźnych i znanych wirusowych chorób zwierząt można wymienić wściekliznę i pryszczycę. Wścieklizna może zostać przeniesiona ze zwierzęcia na człowieka. Inne choroby wirusowe to nosówka psów, cholera i zapalenie płuc świń, białaczka kotów. Im większe zagęszczenie hodowli, tym szybciej rozprzestrzenia się wirus. Chore osobniki należy odizolować od pozostałych lub zlikwidować, w celu zapobieżenia epidemii.

Najpowszechniejsze choroby wirusowe ludzi to grypa, różyczka, świnka, odra, paraliż dziecięcy, ospa wietrzna. Szczególnie groźną chorobą jest AIDS (zespół nabytego upośledzenia odporności), wywoływany przez wirusa HIV (ludzki wirus upośledzenia odporności). AIDS polega na zniszczeniu układu odpornościowego, w wyniku czego rozwijają się rozmaite infekcje, objawiające się m.in. gorączką, poceniem się, powiększeniem węzłów chłonnych, pleśniawkami, bólami mięśni, chudnięciem. Przeważnie rozwija się zapalenie płuc lub gruźlica. Wirus HIV przenosi się w krwi, spermie i wydzielinie pochwowej.

W zapobieganiu chorobom wirusowym niezwykle ważna jest profilaktyka - uświadamianie zagrożeń oraz szczepienia ochronne. Niektóre groźne choroby w ten właśnie sposób wyeliminowano całkowicie (np. odrę), lecz wciąż wielu ludzi umiera w wyniku infekcji wirusowych.

LITERATURA:

  • Jabłoński L. "Podstawy mikrobiologii lekarskiej"
  • Podbielkowska M. "Biologia z higieną i ochroną środowiska"- podręcznik do kl. I LO
  • Villee S. "Biologia"
  • zespół autorów "Biologia"