Бактерии
Бактерии – самая древняя группа организмов из ныне существующих на Земле. Первые бактерии появились, вероятно, более 3,5 млрд лет назад и на протяжении почти миллиарда лет были единственными живыми существами на нашей планете. Поскольку это были первые представители живой природы, их тело имело примитивное строение.
Со временем их строение усложнилось, но и поныне бактерии считаются наиболее примитивными одноклеточными организмами. Интересно, что некоторые бактерии и сейчас ещё сохранили примитивные черты своих древних предков. Это наблюдается у бактерий, обитающих в горячих серных источниках и бескислородных илах на дне водоёмов.
Большинство бактерий бесцветно. Только немногие окрашены в пурпурный или в зелёный цвет. Но колонии многих бактерий имеют яркую окраску, которая обусловливается выделением окрашенного вещества в окружающую среду или пигментированием клеток.
Первооткрывателем мира бактерий был Антоний Левенгук – голландский естествоиспытатель 17 века, впервые создавший совершенную лупу-микроскоп, увеличивающую предметы в 160-270 раз.
Бактерии относят к прокариотам и выделяют в отдельное царство – Бактерии.
Бактерии – многочисленные и разнообразные организмы. Они различаются по форме:
Содержание
Способы передвижения
Среди бактерий есть подвижные и неподвижные формы. Подвижные передвигаются за счёт волнообразных сокращений или при помощи жгутиков (скрученные винтообразные нити), которые состоят из особого белка флагеллина. Жгутиков может быть один или несколько. Располагаются они у одних бактерий на одном конце клетки, у других – на двух или по всей поверхности.
Но движение присуще и многим иным бактериям, у которых жгутики отсутствуют. Так, бактерии, покрытые снаружи слизью, способны к скользящему движению.
У некоторых лишённых жгутиков водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли. В клетке может быть 40-60 вакуолей. Каждая из них заполнена газом (предположительно – азотом). Регулируя количество газа в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на её поверхность, а почвенные бактерии – передвигаться в капиллярах почвы.
Место обитания
В силу простоты организации и неприхотливости бактерии широко распространены в природе. Бактерии обнаружены везде: в капле даже самой чистой родниковой воды, в крупинках почвы, в воздухе, на скалах, в полярных снегах, песках пустынь, на дне океана, в добытой с огромной глубины нефти и даже в воде горячих источников с температурой около 80ºС. Обитают они на растениях, плодах, у различных животных и у человека в кишечнике, ротовой полости, на конечностях, на поверхности тела.
Бактерии – самые мелкие и самые многочисленные живые существа. Благодаря малым размерам они легко проникают в любые трещины, щели, поры. Очень выносливы и приспособлены к различным условиям существования. Переносят высушивание, сильные холода, нагревание до 90ºС, не теряя при этом жизнеспособность.
Практически нет места на Земле, где не встречались бы бактерии, но в разных количествах. Условия жизни бактерий разнообразны. Одним из них необходим кислород воздуха, другие в нём не нуждаются и способны жить в бескислородной среде.
В воздухе: бактерии поднимаются в верхние слои атмосферы до 30 км. и больше.
Особенно много их в почве. В 1 г. почвы могут содержаться сотни миллионов бактерий.
В воде: в поверхностных слоях воды открытых водоёмов. Полезные водные бактерии минерализуют органические остатки.
В живых организмах: болезнетворные бактерии попадают в организм из внешней среды, но лишь в благоприятных условиях вызываю заболевания. Симбиотические живут в органах пищеварения, помогая расщеплять и усваивать пищу, синтезируют витамины.
Внешнее строение
Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой – клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи – капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула – не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.
На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.
Внутреннее строение
Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.
След первой бактерии
Возникновение жизни – главный вопрос, который всегда волновал разумное человечество. Ответы на него менялись так часто, как и представление человека о мироустройстве. При этом могли уживаться как версии о божественной природе жизни, так и предположения о том, что жизнь рождается сама по себе: кинь ветошь в угол избы – и через какое-то время из этой ветоши родятся мыши. Справедливости ради стоит отметить, что точка в этом вопросе не поставлена и сегодня. Более того, современная наука даже не может ответить на вопрос о том, что же такое жизнь. А вот в чем единодушны ученые-естествоиспытатели, так это в том, что, скорее всего, самыми первыми органическими существами на планете Земля были первые бактерии.
Проблемы изучения
Принять то, что органическая жизнь развилась из простейшего одноклеточного, которого не во всякий микроскоп разглядишь, непростое решение. Отказаться от идеи присутствия божьего промысла и взять всю ответственность за происходящее исключительно на себя даже современное общество не совсем готово, а в более ранние века такие идеи называли ересью и крамолой.
Этические и культурные аспекты жизни социума всегда влияли на скорость и направленность научно-технического прогресса (и далеко не всегда это влияние являлось отрицательным). Но, кроме этических проблем, существуют и объективные сложности, которые не позволяют расставить все точки над і в вопросах появления первых живых организмов.
Окончательно закрепить за бактериями автотрофами и гетеротрофами право быть пионерами в деле формирования органической жизни на планете Земле не позволяют следующие обстоятельства:
Вот с этих трех позиций и можно рассматривать вопросы о том:
Когда появились
Несмотря на то что современная наука очень много знает о простейших безъядерных организмах (бактериях), достоверных данных о первых представителях этого царства органической жизни сегодня, как и много лет назад, нет.
Есть предположения, что самые первые автотрофы-бактерии появились на Земле в первые сто миллионов лет существования планеты.
Пока что эту гипотезу невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть. Причин для такой неопределенности несколько:
По всему выходит, что вопрос о том, когда появились бактерии и сколько лет назад органические молекулы стали копировать себя, используя энергию, получаемую из окружающей среды, откладывается до момента выявления геологических объектов возрастом, максимально приближающимся к возрасту планеты.
Как появились
Если же абстрагироваться от того, когда появились самые первые прокариоты, и задаться вопросом, как они появились, можно узнать много интересного о том, на чем вообще держится органическая земная жизнь.
Разгадка кроется в тех первых процессах, которые зарождались в безжизненных и ядовитых, по современным меркам, водах первичного океана.
Сегодня достоверно известно: сколько бы лет назад ни возникли первые бактериальные клетки, они сформировались как организмы в тех условиях, в которых не могут существовать ни растения, ни животные, являющиеся частью современной биосферы.
Согласно косвенным и умозрительным предположениям, условия, в которых зарождалась первая земная жизнь, в первый миллиард лет существования планеты сложились такие:
Вот в этом первичном океане с только что родившимся геохимическим круговоротом возникли условия, в которых родилась первая безъядерная клетка. Сколько лет назад это произошло, сказать пока невозможно, это знание на данный момент является недоступным исследователям.
Сам процесс поэтапного формирования первых бактерий сегодня является частично изученным.
Согласно данным, подтвержденным многими научными экспериментами, последовательность формирования органических структур, которые позже стали первой бактерией, выглядела следующим образом:
Предположительно оказавшаяся внутри коацерватной капли РНК-молекула получила преимущества перед теми РНК-молекулами, которые продолжали существовать в открытом пространстве океана, и это стало отправным моментом для формирования биологической клетки как единого комплекса согласованно действующих биохимических процессов.
Роль первых бактерий
Все вопросы, которые природа решала в процессе создания первых бактерий, фактически сводились к одному основному вопросу – стабилизация геохимического круговорота, который возник на планете в момент формирования ее основных сфер.
Сложно представить, но именно бактерии (автотрофы и гетеротрофы):
Все эти продукты жизнедеятельности простейших организмов включались в общий круговорот веществ в природе и постепенно стали его обязательными структурными элементами.
Однако при этом бактерии не утратили своей ведущей роли в жизни Земли. На сегодняшний день, как и много лет назад, бактерии-автотрофы синтезируют из неорганических соединений органические вещества, а бактерии-гетеротрофы разлагают органику на неорганические соединения. Два необходимых условия круговорота выполняют бактерии.
Отголоски в современности
Сегодня сложно делать категорические заявления о том, какими были те первые прокариоты много лет назад, поскольку нет полных данных об условиях, в которых жили эти первые микроорганизмы.
Но поиски следов зарождения органической жизни продолжаются, и иногда ученые получают возможность приоткрыть завесу тайны.
Так, интересные сведения были получены при изучении колонии архей (безъядерные микроорганизмы) Ферроплазма (Ferroplasma acidiphilum), обнаруженных в реакторе одного из металлургических заводов Тульской области.
При детальном изучении ферроплазмы были зафиксированы такие свойства, которые позволили бы микроорганизму с подобными характеристиками жить в условиях первичной атмосферы, предположительно существовавшей четыре миллиарда лет назад:
Исследователи считают, что особенности ферроплазмы являются чудом сохранившимися отголосками первых этапов становления органической жизни, которые протекали миллиарды лет назад.
Утилитарное использование
Как бы ни была велика тяга человека к абстрактному познанию мира, действительность практически всегда возвращает его в рамки необходимости использовать полученные знания с конкретной практической пользой для общества.
Современное общество, воодушевленное открытиями микробиологов, хочет получить новые инструменты в решении основных проблем человечества:
Современные бактерии, которые исследуются в целях лечения человека, его кормления и уборки отходов его жизнедеятельности, не имеют никакого отношения к тем первым бактериям, которые жили на Земле.
А вот те бактерии, которые стали первыми симбионтами человека и его первыми паразитами, могут сыграть важную роль в поиске новых путей лечения человека.
Так, например, сегодня активно изучается бактерия Хеликобактер Пилори, которая инфицировала более половины населения планеты и является причиной язвенных болезней желудка и двенадцатиперстной кишки.
В поисках инструментов для лечения этого недуга биологи прорабатывали гипотезу, согласно которой первые люди в свое время были заражены этой бактерией от животных. Однако последние данные показали, что именно человек стал первым резервуаром для жизни Хеликобактер Пилори. Дальнейшее заражение животных происходило в результате контакта последних с человеком.
Эти сведения имеют большую ценность для лечения язвы, ведь, понимая пути эволюции язвенной бактерии, гораздо проще разработать комплексное лечение и профилактические меры.
Кроме исследования живых бактериальных культур, микробиологи и фармацевты пытаются создать искусственные микроорганизмы, которые также смогут решить вопросы диагностики и лечения болезней человека.
Сегодня исследуются возможности искусственных бактерий, созданных на базе обычной кишечной палочки, диагностировать рак и диабет. Выявление этих болезней на ранних стадиях помогает добиваться высоких результатов в лечении.
Однако надо понимать, что искусственная бактерия – это не созданный из синтетических материалов микроорганизм. Синтетическая бактерия – это обычная бактерия, в генетический код которой вносятся определенные изменения.
Так, например, та же синтетическая кишечная палочка, благодаря изменению ДНК искусственным путем, при повышении сахара в крови диабетика начинает вырабатывать флуоресцирующий белок, который, попадая в мочу больного, сразу проявляет себя на специальных биохимических тестах.
Несмотря на перспективность разработок в области создания синтетических бактерий, необходимых при лечении и диагностике человека, эти научные разработки имеют большую опасность.
Многие общественные институты призывают разработчиков новаций по созданию искусственных бактерий отказываться от патентования своих разработок, поскольку современная наука пока не может дать ответ на вопрос, что будет, если синтетические бактерии станут частью естественной бактериальной среды планеты.
А отследить момент проникновения искусственных бактерий в естественную окружающую среду практически невозможно.
Какими были первые бактерии? Загадка, которой 3,5 млрд лет
Как сопоставить два типа клеточных стенок?
коллаж авторов статьи
Авторы
Редакторы
Каким был предок всех бактерий и почему теперь у них два типа клеточных оболочек? Для ответа на эти вопросы нужно взглянуть на историю возникновения различных гипотез и реконструировать геном общего предка всех бактерий.
Наверняка в различных статьях и новостях после упоминания какого-нибудь зловредного патогена вы встречали фразу: «Эта бактерия относится к грамположительному типу» или «Это грамотрицательная палочка». Но задумывались ли вы о том, зачем нужны такие уточнения?
У грамположительных бактерий поверх мембраны находится очень толстый слой пептидогликана (муреина), а у грамотрицательных этот слой тонок, и сверху его покрывает еще одна мембрана (рис. 1). Эти различия играют ключевую роль в медицинской микробиологии — в зависимости от типа клеточной стенки патогена будут различаться и методы борьбы с ним. Например, в случае грамотрицательных бактерий доставка антибиотика внутрь клетки осложняется тем, что клеточная стенка защищена дополнительной мембраной [3], [4].
Рисунок 1. Строение клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий. В обоих случаях поверх мембраны идет слой пептидогликана: у грамположительных бактерий этот слой толстый, а у грамотрицательных — очень тонкий, однако поверх него лежит еще одна мембрана.
Бактерий стали разделять на грамположительных и грамотрицательных в 1884 году, когда Ганс Христиан Грам разработал метод окрашивания для визуализации клеток пневмококка в легких пострадавших от пневмонии. Этот метод, известный как окрашивание по Граму, широко используется и поныне, хотя сам автор скромно заявлял: «Я опубликовал метод, хотя мне известно, что он пока очень несовершенен. Есть надежда, что и в руках других исследователей он будет полезным».
Как происходит окраска по Граму? Для начала на исследуемых бактерий капают краситель кристаллический фиолетовый и йод, который его проявляет, а также стабилизирует связь между клеточной стенкой и красителем. Затем образец промывают спиртом — мембрана лопается, и краситель вымывается наружу. При этом кристаллический фиолетовый застревает в толстой и пористой клеточной стенке грамположительных бактерий, а стенка грамотрицательных его не задерживает. Для окраски грамотрицательных бактерий можно использовать другой краситель — фуксин, он помогает отличить такие клетки от неживых частиц (рис. 2).
Рисунок 2. Способ окраски по Граму поэтапно
Первые бактерии: грамположительные или грамотрицательные?
Как, когда и почему у бактерий произошел переход от одномембранной клеточной оболочки к двухмембранной (или наоборот) — ключевые для микробиологов вопросы эволюционной биологии, на которые пока нет ответа.
На этот счет существуют несколько гипотез, которые в целом можно отнести к двум альтернативным сценариям: либо первыми появились предки грамположительных бактерий — монодермы (с одной мембраной); либо, наоборот, первыми были предки грамотрицательных бактерий — дидермы (с двумя мембранами) (рис. 3) [5].
Рисунок 3. Четыре основные гипотезы разделения двух типов клеточных оболочек
Одной из самых ранних была гипотеза Томаса Кавалье-Смита, который предположил, что потеря внешней мембраны была случайностью, произошедшей в результате мутации в генах, отвечающих за механизм роста клеточной стенки у дидерм [6]. Однако впоследствии оказалось, что бактерии Chloroflexi, которых Кавалье-Смит предложил поставить в основание филогенетического дерева бактерий, не являются ранней линией. Кроме того, внешняя мембрана грамотрицательных бактерий содержит большое количество важных для жизнедеятельности белков, поэтому едва ли она могла быть утрачена без последствий.
Согласно другой гипотезе, которую позже выдвинул Джеймс Лейк, первыми возникли монодермы, а дидермы образовались в результате слияния двух клеток монодерм. Однако эта гипотеза не имеет никаких филогенетических оснований, так что вряд ли в этом случае минус на минус дает плюс [7].
Еще позже новую гипотезу выдвинул Радхи Гупта. Согласно ей, первыми появились монодермы, а внешняя мембрана дидерм возникла для защиты от антибиотиков. Внешняя мембрана действительно от них защищает, однако не ясно, какое влияние имели антибиотики на таких ранних этапах эволюции бактерий [8].
И, наконец, совсем недавно Элиза Точева с коллегами выдвинула другую гипотезу, согласно которой переходная внешняя оболочка появляется во время образования эндоспор у монодерм — предков грамположительных бактерий, — а затем теряется при их прорастании. По этому сценарию дидермы произошли от спорулирующего предка всех бактерий [9].
Эти гипотезы, пусть и представляют определенный интерес, далеко не совершенны, и у каждой есть свои слабые стороны. Лишь недавно ученые получили результаты исследований, которые позволяют сделать выбор в пользу одной из гипотез.
Собираем по кусочкам
Сбор и кластеризация (то есть объединение по тем или иным признакам) данных бактериальных геномов, проведенные Джоанной Ксавье и ее командой, могут рассказать нам про последнего общего предка бактерий (last bacterial common ancestor, LBCA) — и показать, каким он был сотни миллионов лет назад [10].
К сожалению, из-за постоянного горизонтального переноса генов между бактериями проследить происхождение отдельных ветвей — задача нетривиальная. Потому исследователи выбрали другой подход: сосредоточить внимание на геномах именно анаэробных бактерий и генах, которые широко распространены среди них. При этом анализировали геномы современных групп, наиболее похожие по своему метаболизму на группы, которые раньше всего отделились от LBCA.
Исследователи проанализировали основные эволюционные линии анаэробных бактерий и нашли их общие гены. В результате были выбраны 146 семейств генов: 122 из них присутствовали в 90% всех геномов анаэробных прокариот, то есть были достаточно универсальны. По этим генам можно получить примерное представление о физиологии и образе жизни LBCA.
Абсолютно обычная бактерия
С помощью выбранных 146 семейств генов можно построить почти полную метаболическую сеть LBCA. В ней встречаются гены, кодирующие важнейшие прокариотические метаболиты (например, это 20 аминокислот, азотистые основания ДНК и РНК, кофакторы, а также некоторые другие соединения). Но картина получилась неполной: гены, кодирующие синтез других соединений, могли присутствовать у LUCA, но затем потерялись в процессе эволюции и теперь встречаются только у клостридий и дельтапротеобактерий.
О том, что такое автотрофия и какие еще бывают типы питания, можно прочесть в статье: «Особая диета: молекулярный водород три раза в день, ионы сульфата перед едой» [18].
Ближе к истине
Исследователи проделали большую работу, восстанавливая облик самой древней бактерии. Но к какой из гипотез, упомянутых выше, это нас приближает?
Реконструировав метаболизм LBCA, авторы статьи пришли к выводу, что больше всего сходств он имеет с клостридиями (отдел Firmicutes). К похожему же выводу пришли и Элиза Точева с коллегами: напоминаем, что, согласно их гипотезе, переходная внешняя оболочка появляется во время образования эндоспор у монодерм (как, например, у клостридий). Судя по всему, один из самых ранних предков всей клеточной жизни мог образовывать эндоспоры. Споры уже давно признаны исключительно устойчивыми формами жизни, они способны выдерживать экстремальные температуру и рН, обезвоживание и другие воздействия окружающей среды.
Работа молекулярных эволюционистов здорово напоминает детектив: по мельчайшим следам в геномах потомков необходимо собрать фоторобот предка. Современная наука делает большие успехи, расследуя происшествие, которому 3,5 млрд лет: мы многое можем сказать о предке всех бактерий, пусть никогда не увидим его вживую.