Znaczenie bakterii w gospodarce, przyrodzie oraz życiu ludzi

Wszystkie obecnie znane organizmy żywe da się zaklasyfikować do dwóch dużych grup. Pierwszą z nich stanowią organizmy, nie posiadające wyraźnie oddzielonego od reszty komórki jądra czyli prokarionty, drugą natomiast takie, u których materiał genetyczny jest odseparowany od cytoplazmy błoną, wyznaczającą granice jądra komórkowego czyli eukarionty. Bakterie zalicza się do pierwszej z wymienionych grup. Ich ciało to pojedyncza komórka, w której materiał genetyczny ma formę kolistej, dwuniciowej cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego. Ze względu na jej duży, w stosunku do komórki, rozmiar jest ona silnie poskręcana oraz doczepiona do rdzenia, zbudowanego z białek i RNA, a zlokalizowanego w jądrowym obszarze cytoplazmy czyli tzw. nukleoidzie. Brak błony oddzielającej nukleoid od pływających w cytoplazmie rybosomów warunkuje szybkie realizowanie informacji genetycznych.

Bakterie można spotkać we wszystkich znanych typach środowisk. Mogą się one rozwijać nawet w bardzo ekstremalnych warunkach. Pozwalają im na to ich duże zdolności adaptacyjne. Często nazywa się je organizmami kosmopolitycznymi co bynajmniej nie oznacza, że każdy gatunek może zasiedlić dowolne środowisko. Zdecydowana większość bakterii jest mocno wyspecjalizowana i dlatego możne je znaleźć jedynie w takich niszach ekologicznych, w których panują odpowiednie dla nich warunki tlenowe, pokarmowe oraz temperaturowe. Część bakterii rozmnaża się jedynie w ściśle określonych biotopach, w pozostałych są w stanie przetrwać ale nie namnażają się.

Zdecydowanie najwięcej bakterii występuje w glebie. W 1 jej gramie można znaleźć aż 950 mln tych mikroorganizmów. Największe ich ilość izoluje się z ryzosfery - tej warstwy ziemi, która znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie korzeni. Bardzo dużo bakterii bytuje w zbiornikach wodnych, ich liczba jest uzależniona takich czynników jak: temperatura wody, zawartość tlenu, jej zasolenie, stopień zanieczyszczenia, ilość substancji odżywczych. Zazwyczaj z 1 ml wody można wyhodować do 1 mln kolonii bakterii. Mnóstwo bakterii zasiedla mułach zalegające na dnach zbiorników wodnych. Innym istotnym dla życia tych drobnoustrojów środowiskiem jest powierzchnia oraz wnętrze różnych innych organizmów. Zdecydowanie niewielki ich odsetek stanowią bakterie chorobotwórcze, zdecydowana większość to komensale, które nie wywierają na organizm żywiciela negatywnego oddziaływania i symbionty dostarczające organizmowi gospodarza pewnych czynników w zamian za zasiedlenie niszy ekologicznej.

Warto tu podkreślić, że granica między poszczególnymi rodzajami oddziaływań może łatwo zostać zatarta i w takim przypadku nawet symbiotyczna bakteria może być przyczyną groźnej choroby. Z taką sytuacją możemy się spotkać u ludzi z osłabionym układem immunologicznym, u których nawet żyjąca w jelitach pałeczka okrężnicy (Escherichia coli) może stać się przyczyną sepsy.

Bakterie i ich przetrwalniki unoszą się także w powietrzu. Środowisko to nie sprzyja jednak prowadzeniu przez nie aktywnego życia. Jest natomiast dobrym medium do migracji w kierunku środowisk właściwych.

Różnice w kształtach bakterii nie są znaczące. Drobnoustroje te mogą jednak tworzyć kolonie. Bakterie kuliste (ziarniaki) mogą występować pojedynczo albo w skupiskach o konkretnych nazwach. Najbardziej znanymi przedstawicielami tej grupy są: gronkowiec złocisty oraz dwoinka zapalenia płuc. Kolejna grupa to bakterie posiadające kształty walcowate. Wyróżnia się tu głównie pałeczki oraz laseczki. W tej właśnie grupie umieszcza się pałeczkę okrężnicy, pałeczkę Salmonelli i laseczki Clostridium. Istnieją także bakterii spiralne np. przecinkowce (przecinkowiec cholery), śrubowce oraz krętki (krętek blady). Odrębną grupę stanowią glebowe promieniowce.

Bakterie stanowią niewątpliwie niezastąpione ogniwem w procesie krążenia materii w przyrodzie. Zalicza się je do tzw. destruentów lub inaczej saprofitów, czyli organizmów przeprowadzających reakcje rozkładu martwych szczątków organicznych do prostych substancji nieorganicznych, które mogą być po później wykorzystane przez rośliny do budowy własnego ciała. Można sobie wyobrazić, że jeśli bakterie wniknęłyby z powierzchni naszej planety to w niedługim czasie pokryłaby się ona grubą warstwą ciał padłych roślin oraz zwierząt.

Bardzo duży odsetek bakterii współżyje z innymi organizmami na zasadzie symbiozy. Jako przykład takiego oddziaływania możemy tu wymienić bakterie azotowe z rodzaju Rhyzobium. Organizmy te posiadły umiejętność wiązania azotu z atmosfery. Oddziaływanie symbiotyczne zachodzi między nimi, a roślinami motylkowymi. Bakterie wnikają do komórek ich korzeni i tam stymulują powstawanie tworów zwanych brodawkami korzeniowymi. W zamian za miejsce do życia oraz organiczne produkty fotosyntezy bakterie oferują roślinom sole azotu.

Związki występujące miedzy bakteriami, a przedstawicielami fauny mogą przyjmować różne formy. Po pierwsze bakterie mogą stanowić źródło pokarmu nie tylko dla niewiele większych od nich dla wielu pierwotniaków, ale i dla tak dużych zwierząt jak przeżuwacze np. krów lub owiec. W części ich żołądka zwanej żwaczem rozwijają się bakterie oraz inne drobnoustroje, przeprowadzające reakcje rozkładu celulozy. Mogą one być również trawione przez zwierzę wraz z pozostałym pokarmem znajdującym się w jego żołądku.

Bakterie żyją również w przewodach pokarmowych szeregu innych zwierząt oraz ludzi. Podobnie jak u przeżuwaczy, także i tu biorą udział w procesach rozkładu nie strawionych resztek pokarmu i celulozy, a ponadto są dla gospodarza źródłem cennych substancji np. witamin. Jednym z mikroorganizmów powszechni występującym w jelicie ludzi jest pałeczka okrężnicy (Eschelichia coli). Okazuje się również, że zwierzęta laboratoryjne, które poddano eksperymentowi, polegającemu na tym, że hodowano je w takich warunkach, aby wnętrza ich ciała nie mogły zasiedlić się drobnoustroje, nie rozwijały się tak dobrze jak osobniki hodowane w normalnych warunkach.

Szereg reakcji biochemicznych, przeprowadzanych przez bakterie od dawna był wykorzystywany przez ludzi do produkcji takich artykułów spożywczych jak jogurty, sery, czy kefiry. Znalazły one zastosowanie w procesach kiszenia np. ogórków i kapusty. Procesy te bazują na reakcjach fermentacji.

Z drugiej strony właśnie te reakcje są przyczyną psucia się produktów spożywczych. Zjawisku temu zapobiegają takie zabiegi konserwacyjne jak: zamrażanie (działanie skrajnie niskich temperatur), pasteryzacja (działanie ekstremalnie wysokich temperatur), solenie, słodzenie, albo dodawanie takich związków chemicznych, które hamujących wzrost i rozwój bakterii.

Właściwości biochemiczne bakterii znajdują również szerokie zastosowanie w przemyśle, produkcji wielu różnych związków chemicznych, a wśród nich pewnych kwasów organicznych, szeregu witamin oraz aminokwasów.

Bakterie żyjące w oborniku mogą być wykorzystane jako tanie źródło metanu. Gaz ten można stosować do napędzania silników.

Niemałe znaczenie mają bakterie także w procesach neutralizacji szkodliwych związków chemicznych, powstających w wyniku działalności ludzi. Rozkładają one wiele z pośród detergentów czy środków ochrony roślin. W oczyszczalniach ścieków stanowią główny składnik osadu czynnego i również tam rozkładają szkodliwe związki.

Część bakterii ma istotne znaczenie z medycznego punktu widzenia. Mogą one produkować związki hamujące wzrost i rozwój konkurencyjnych gatunków bakterii. Związkami tymi są antybiotyki, używane do w terapii infekcji bakteryjnych. Najistotniejszą grupą tych mikroorganizmów, zdolną do syntezy antybiotyków stanowią promieniowce. Ich produktem jest streptomycyna oraz tetracyklina. Część z bakterie syntetyzuje także w produkcji związku, stanowiącego bazę płynu krwiozastępczego. Mowa tu o węglowodanie dekstranu.

Bakterie odgrywają zapewne bardzo duże znaczenie w eksperymentach biologicznych i dynamicznie rozwijającej się inżynierii genetycznej. Organizmy te produkują bowiem enzymy restrykcyjne, wykorzystywane do cięcia cząsteczek DNA w precyzyjnie określonych miejscach. W naturalnych warunkach restryktazy mają za zadanie przecinać cząsteczki DNA należące do bakteriofagów, atakujących komórki bakterii. W inżynierii genetycznej natomiast znalazły zastosowanie przy nacinaniu kwasów nukleinowych izolowanych od wielu różnych organizmów, po to aby wyodrębnić z nich, a następnie sklonować określone geny.

Mówiąc krótko, bakterie dla osoby zajmującej się inżynierią genetyczną mogą stanowią rodzaj małej fabryki, która po otrzymaniu określonej instrukcji w postaci nowego genu, rozpoczyna jej realizację.

Część bakterii, które w naturalnym środowisku są przyczyną chorób u roślin, specjaliści od inżynierii genetycznej wykorzystują jako wektory do przenoszenia genów izolowanych od jednych roślin do innych. Dzięki temu można uzyskać nowe odmiany posiadające cechy korzystnych z ludzkiego punktu widzenia.

Pewne szczepy Eschelichia coli są wykorzystywane w produkcji insuliny. Ponadto naukowcy wykonują eksperymenty zmierzające do opracowania metody pozwalającej na zastosowanie bakterii jako organizmów produkujących szczepionki skierowane przeciwko wirusowi ludzkiego niedoboru odporności (HIV).

Oczywiście nie każda z bakterii jest organizmem pożytecznym. Pewien ich odsetek jest przyczyną mniej czy bardziej niebezpiecznych chorób u roślin, zwierząt oraz człowieka.

Do najczęstszych objawów infekcji roślin powodowanych przez omawiane mikroorganizmy należą: gnicie, więdnięcie oraz powstawanie zmian o charakterze nowotworowym. Bakteryjne infekcje spotykane u zwierząt bardzo często przypominają te, które występują u ludzi lub wręcz są identyczne. Uciążliwe objawy towarzyszące infekcjom bakteryjnym powstają na skutek intensywnego namnażania się mikroorganizmów w komórkach zaatakowanego organizmu oraz produkowania przez nie toksyn często określanych mianem jadów. Znane są dwa typy toksyn bakteryjnych. Pierwsze to egzotoksyny. Ich cechą charakterystyczną jest to, że bakteria może wydzielać je poza komórkę nie naruszając przy tym własnych struktur. Drugie to endotoksyny, uwalniane przez komórki bakterii po ich śmierci, wówczas gdy następuje rozkład ich struktur. Mimo że same bakterie nie muszą wnikać do wnętrza wszystkich komórek gospodarza, to ich jady są rozprzestrzeniane po organizmie za pośrednictwem krwi, czego rezultatem mogą być rozsiane stany zapalne narządów i tkanek.

Stosowana w dzisiejszych czasach profilaktyka chorób bakteryjnych, polegająca na podawaniu dzieciom szczepionek ochronnych skutkuje znacznym ograniczeniem zachorowalności na wiele groźnych chorób, które w przeszłości były groźne dla życia ludzi. Ponadto wprowadzenie do terapii sulfonamidów oraz antybiotyków, umożliwia szybkie pogranicznie rozszerzania się ogniska zapalnego powstałego w organizmie.

Cała trudność w stosowaniu antybiotyków polega na umiejętnym ich stosowaniu. Część bakterii ma w swoich komórkach geny nadające im odporność na pewne typy antybiotyków. Z tego właśnie powodu, mimo że określony antybiotyk okazał się skuteczny w walce z zakażeniem wywołanym przez określony szczep danego gatunku, nie musi on dawać podobnych rezultatów w przypadku infekcji wywołanej przez inny szczep.

Zjawisko nabywania przez komórki bakterii oporności na antybiotyki może zachodzić na dwa sposoby. Po pierwsze może ona pojawiać się na skutek mutacji. Po drugie może ona być skutkiem tzw. horyzontalnego transferu genów, czyli zjawiska polegającego na przekazywaniu genów warunkujących oporność na antybiotyk z komórki jednej bakterii do drugiej. Transfer genów zachodzi również między bakteriami należącymi do różnych gatunków.

Przykładem mutacji która pozwala uniknąć komórce bakterii zablokowania jej procesów życiowych przez antybiotyk może być sytuacja, z którą często mamy do czynienia po podaniu streptomycyny. Jest ona związkiem zaliczanym do tej grupy antybiotyków, która hamuje biosyntezę białek poprzez przyłączenie się do jednej z podjednostek rybosomów. Jeżeli w komórce bakterii zajdzie mutacja, w wyniku której jeden z aminokwasów w rybosomie zostanie zastąpiony innym i zmieni to jego strukturę przestrzenną, to istnieje duże prawdopodobieństwo, że streptomycyna nie będzie mogła przyłączać się do niego. W związku z czym mimo obecności antybiotyku w podłożu synteza białek w komórce bakterii będzie zachodziła bez zakłóceń.

Do najistotniejszych infekcji wywoływanych przez bakterie w organizmie ludzkim należą: angina cholera, gruźlica , szkarlatyna, trąd, borelioza, dur brzuszny, czerwonka bakteryjna, krztusiec, dyfteryt, zapalenie opon mózgowych, rzeżączka, kiła i wiele innych. Poza "zwyczajnymi" infekcjami bakterie mogą być przyczyną zatruć, w przebiegu których czynnikiem powodującym wystąpienie objawów chorobowych są egzotoksyny. wśród najczęściej odnotowywanych zatruć znajdują się zatrucia pokarmowe, których czynnikiem etiologicznym są bakterie należące do rodzaju Salmonella. Jedne z najgroźniejszych zatruć wywołuje z pewnością laseczka tężca oraz laseczka jadu kiełbasianego.

Jak więc nietrudno zauważyć, w niektórych sytuacjach najmniejsze organizmy wywierają bardzo duży wpływ na procesy toczące się w środowisku.