Бактерии – это живые организмы с особым внутренним строением. В отличие от людей и других многоклеточных существ, чьи клетки (эукариоты) имеют ядра, отгороженные мембраной, бактерии – прокариоты. Это значит, что у них нет ни ядра, ни других органелл, заключенных в мембрану.
Бактерии бывают разных форм: круглые, палочковидные, в виде запятой, штопора или спирали. В науке их называют кокками (круглые), бациллами (палочковидные), вибрионами (запятовидные), спирохетами (штопорообразные) и спириллами (спиралевидные). Эти формы часто отражены в их названиях, например, молочнокислые Lactobacillus acidophilus – это бациллы, а вызывающие пневмонию Streptococcus pneumoniae – цепочка кокков.
Обычно бактериальная клетка окружена клеточной стенкой и внутренней клеточной мембраной. Некоторые бактерии, например, микоплазмы, вообще не имеют клеточной стенки, а у других может быть еще и третья, внешняя защитная оболочка – капсула. Поверхность бактерий часто покрыта жгутиками (длинными) или пилями (короткими), которые помогают им двигаться и прикрепляться к организму-хозяину.
По составу клеточной стенки бактерии можно разделить на грамположительные (окрашивающиеся при специальном тесте) и грамотрицательные (не окрашивающиеся). Грамположительные бактерии не имеют внешней мембраны, а грамотрицательные – имеют. Например, Streptococcus pneumoniae – грамположительная бактерия, а Escherichia coli (вызывающая пищевое отравление) и Vibrio cholerae (вызывающая холеру) – грамотрицательные.
Внутри клетки бактерии находится цитоплазма – раствор из воды и солей. В ней плавают нуклеоид, плазмиды и рибосомы – маленькие фабрики по производству белков, где реализуются генетические инструкции клетки. Некоторые антибиотики, например, тетрациклин, воздействуют на рибосомы бактерий, блокируя синтез белков и приводя к гибели клетки.
В цитоплазме бактерий также могут быть включения – небольшие карманы, где хранятся запасы питательных веществ. У фотосинтезирующих бактерий, получающих энергию из солнечного света, в цитоплазме есть хроматофоры с пигментами, используемыми в фотосинтезе.
Бактерии – одни из древнейших форм жизни на Земле, и они разработали множество способов выживания. Некоторые питаются с помощью фотосинтеза, другие разлагают органические материалы, а третьи вступают в симбиотические отношения с хозяином.
Большинство бактерий размножаются путем бинарного деления: клетка копирует свою ДНК и другие органеллы, увеличивается в размерах, а затем делится на две идентичные дочерние клетки. Некоторые виды, такие как цианобактерии и фирмикуты, размножаются почкованием, когда дочерняя клетка растет как отросток от родительской.
После деления ДНК родителей и потомков обычно одинаковы, но бактерии могут изменять свой генетический материал, получая дополнительную ДНК из окружающей среды. Этот процесс называется горизонтальным переносом генов и позволяет бактериям адаптироваться к меняющимся условиям. Существует три способа горизонтального переноса генов: трансформация, трансдукция и конъюгация.
Трансформация – это поглощение бактерией коротких фрагментов ДНК из окружающей среды. Трансдукция происходит, когда вирус переносит ДНК одной бактерии в другую. Конъюгация – это прямой перенос ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту через пилюс.
Многие бактерии полезны для человека. Мы используем их для производства йогурта, квашеной капусты и других продуктов. Некоторые бактерии живут внутри нашего тела и помогают нам переваривать пищу. Например, Bacteroides thetaiotaomicron расщепляет сложные углеводы, а Lactobacillus acidophilus – сахара в молоке. Бактерии на коже также могут производить вещества, защищающие от вредных бактерий.
Однако есть и вредные бактерии. Staphylococcus epidermidis обычно живет на коже, но может вызвать инфекцию при попадании внутрь организма. Staphylococcus aureus может вызывать более серьезные инфекции, такие как сепсис, пневмония и эндокардит.
Некоторые бактерии, такие как S. aureus, большую часть времени мирно сосуществуют с человеком, но при попадании в организм могут вызывать смертельные инфекции, особенно у людей с ослабленным иммунитетом. Другие бактерии, такие как Vibrio cholerae и Yersinia pestis, почти всегда вредны для человека.
Некоторые болезнетворные бактерии заражают людей через испорченные продукты питания. Сальмонеллы вызывают сальмонеллез, а Escherichia coli – пищевое отравление. Helicobacter pylori может вызывать язвы желудка.
Для лечения бактериальных инфекций используются антибиотики, но неправильное и ненужное применение антибиотиков привело к распространению устойчивых к ним штаммов бактерий. Ежегодно в США миллионы людей заражаются бактериями, устойчивыми к антибиотикам, что приводит к тысячам смертей.