Цитоплазма бактерий окружена плазматической мембраной, на внутренней поверхности которой локализованы многочисленные ферменты. В цитоплазме обнаруживают большое количество рибосом и гранулярных включений, а также один или два участка, где концентрируется ДНК.
Жгутики и фимбрии. Некоторые бактерии имеют очень тонкие и прочные спиральные жгутики, в несколько раз более длинные, чем сами клетки. Жгутики совершают быстрые вращательные движения и способствуют движению бактерий. Бактерии для своих размеров передвигаются очень быстро, за одну секунду они преодаливают расстояние равное примерно 20 диаметром самой бактериальной клетки.
Жгутики бактерий длинные 12-13 миллиметра, тонкие и волнообразно изогнутые. Диаметр их обычно 10-12 нм, поэтому их нельзя увидеть в световой микроскоп. У некоторых бактерий жгутики равномерно распределены по всей поверхности клетки, у других прикреплены к одному или к обоим концам. Каждый жгутик состоит из одной жёсткой молекулы белка флагеллина.
Фимбрии (ворсинки) короче и прямее, чем жгутики: их диаметр около 7, 5-10нм. Фимбрии характерны главным образом для грамотрицательных бактерий. Полые ворсинки образуются на клетках во время конъюгации, однако их точная функция пока неизвестна. Возможно, они переносят ДНК или способствуют соединению клеток. В большинстве случаев ворсинки помогают, бактериям прикрепляется к определённым мембранам.
Несмотря на простоту организации, бактерии могут реагировать на определённые раздражители, двигаясь в направлении увеличивающейся концентрации пищи или кислорода. Бактерии обладают специфической чувствительностью к питательным различным веществам, например сахаром. После того как клетки получают сигнал о «привлекающих» (аттрактантах) или «отталкивающих» (репеллентах) веществах, они могут выбрать нужное им направление движения. Аттрактанты вызывают вращение жгутиков против часовой стрелки, а репелленты – наоборот, по часовой стрелки. Таким образом «пробежки» совершаются за счёт вращения жгутиков, а «кувыркание» - за счёт вращательного движения. При длительном движении жгутики работают вместе и собираются в пучок на заднем конце клетки, несмотря на то что расположены практически по всей поверхности.
Совершенно иной способ движения обнаружен у нитчатых цианобактерий и у бактерий, лишённых жгутиков. Движение этих микроорганизмов представляет собой скольжение, но может включать и вращение вдоль продольной оси клетки. Короткие сегменты, отчленённые от колонии цианобактерий могут скользить со скоростью порядка 10 мкм/с. Движению способствуют выделения слизи через споры клеточной оболочки и образование сократительных волн на её внешней поверхности.
Размножаются микроорганизмы делением клетки на две равные или почкованием, что особенно характерно для многих дрожжей. Только некоторым бактериям свойственно образование специальных «органов» размножения (цианобактерии, миксобактерии, актиномицеты). Для переживания неблагоприятных условий, некоторые бактерии в своём жизненном цикле имеют стадию покоя. У одних бактерий такая стадия покоя связана с образованием одной или реже нескольких эндоспор. После разрушения клетки- эти споры попадают в окружающею среду и т.к., они крайне устойчивы к всякого рода внешних воздействий (температуре, радиации, высушиванию и др) то могут сохранятся десятки, сотни и даже тысячи лет. При попадание в благоприятные условия такие споры прорастают, давая вегетативные клетки. Некоторые другие бактерии образуют покоящие формы в виде цист, экзоспор и микроспор.
Для существования микроорганизмов необходимы источники углерода и энергии. По типу потребляемого углерода подразделяются на гетеротрофов (используют углерод в органической форме) и автотрофов (используют углерод углекислот). По типу источника энергии их можно разделить на фототрофов (используют солнечный свет) и хемотрофов (у них источник энергии – окисление органических или неорганических веществ). По типу источника электронов, используемых в окислительно – восстановительных реакциях различают органотрофов и литотрофов, получающих электроны из неорганических соединений (H2O и H2S). У большинства бактерий окислительно – восстановительные процессы проходят с использованием атмосферного кислорода, т.е. отщепляющихся при окислении субстрата, водород соединяется с кислородом воздуха. Такой тип дыхания называется аэробным. У некоторых микроорганизмов акцептором водорода является кислород, содержащийся в связанном состоянии в неорганических соединениях азота или серы – в нитратах или сульфатах. Такое дыхание проходит в отсутствии атмосферного воздуха и называется анаэробным дыханием. Среди эукариот и прокариот известны микроорганизмы способные переключатся с кислородного существования на бескислородное их называют факультативными анаэробами (кишечная палочка). Наряду с этим существует и строгие анаэробы, которые при контакте с кислородом воздуха погибают. К таким относятся метанообразующие бактерии и др. В отличие от животных, микроорганизмы не могут поглощать высокомолекулярные вещества. Для их роста и развития необходимы низкомолекулярные вещества. Для роста и развития необходимы кроме органических и неорганических веществ: N.P.Na.K.Fe и другие макроэлементы, а также микроэлементы Co.Mo.Zn.Cu.W и другие. Как правило, для каждого из требуемых веществ, клетка имеет свою транспортную систему, которая локализована в цитоплазматической мембране. Важнейшим после углерода элементом для бактерий является азот. Часть микроорганизмов приобрела способность использовать его в газообразном состоянии. Этот процесс называется азотофикацией и имеет огромное экологическое и практическое значение.
Я попробую охарактеризовать более известные группы микроорганизмов.
а) Гетеротрофы- они не способны синтезировать органические соединения из простых неорганических, а должны получать их в готовом виде. Самая большая группа гетеротрофных бактерий – это «сопробионты». Они питаются мёртвым органическим материалом. Сопробионты бактерии и грибы ответственные за разложение и круговорот органического вещества в почве; многие образуемые при этом соединения имеют специфический запах.
б) Хемоавтотрофные бактерии получают энергию, необходимую для осуществления синтетических реакций, путём окисления неорганических веществ, которые обеспечивают их энергией подобно свету у фотосинтезирующих организмов. Бактерии, обитающие в глубоководных кратерах при температуре выше 360 градусов тоже хемосинтетики. Они получают энергию превращая сульфид водорода в серу, и кроме того обеспечивают энергией целое сообщество организмов сред – щих в полной темноте океанических глубин.
в) Архебактерии – это строгие анаэробы, метанообразующие бактерии – они обитают в желудочно – кишечном тракте жвачных животных, в сточных водах, болотах и в глубине моря. Большинство запасов природного газа связанно с деятельностью метанообразующих бактерий. Метанобактерии отличаются большим морфологическим разнообразием. Однако К.Уозом и его коллегами из Иллинского университета было доказано, что различные формы метанобактерий имеют гамотологические последовательные рРНК, что свидетельствует об их родстве. Удивительным оказался факт, что эти последовательности оснований резко отличаются от таковых в рРНК других бактерий и эукариот. На основании изложенных фактов было высказано предположения, что метанобактерии появились на Земле около 3-х миллиардов лет назад, когда атмосфера была бескислородой, но обогащённой CO2 и H2. Сейчас они обитают только в пределённых специфических условиях. Отличие метанобактерий от других групп бактерий привели к тому, что их можно отнести к отдельному царству – архебактерий.
А теперь можно подвести итог на основе вышеизложенного. Какие микробы приносят пользу, а какие вредят и даже вызывают многие смертельные, иногда болезни человека, животных и растений.
а) Различные группы микроорганизмов участвуют в отдельных этапах разложения и круговорота веществ, происходящих в почве. Многие бактерии и грибы располагают углеродосодержащиеся соединения и выделяют в атмосферу СО2.Наиболее важны органические вещества растительного – целлюлоза, лигнин, пектины, крахмал и сахар. Установлено, что более 90% СО2 образуется в биосфере в результате деятельности бактерий и грибов. Многие микроорганизмы используют процесс аммонификации – разложение аминокислот с выделением ионов аммония (NH2). Аммоний может окислить до нитрата (NO2-), а нитрит до нитрата (NO4-). Окисления аммония в нитриты и нитраты называют нитрификацией. Этот процесс идёт с выделением энергии. Де нитрификация – превращение нитратов в газообразный азот или оксид азота – приводит к уменьшению азота в почве. Процесс обратный де нитрификации, называется фиксацией азота. Из всех живых организмов только бактерии нескольких родов способны к фиксации атмосферного азота. Наиболее известные из них – это симбмотические бактерии, которые образуют клубеньки на корнях бобовых и некоторых других растений.
б) Болезни человека.
Некоторые болезни человека передаются воздушно – капельным путём. Такие как: бактериальная пневмония, коклюш, дифтерит. В настоящее время дифтерит встречается довольно редко, поскольку большинство детей вакцинируют против него. Возбудитель туберкулёза остаётся ещё причиной смерти многих людей, несмотря на усовершенствование методов диагностики лечения. Чума – острое инфекционное заболевание человека и животных. Вызывается бактериальной – чумной палочкой. Холера вызывает острые кишечно-желудочные расстройства и обезвоживание организма. Возбудитель – бактерия холерный вибрион. Переносится через воду, пищу.
Целый ряд других болезней бактериального происхождения передаётся через воду и пищу. Примером могут служить брюшной тиф, паратиф, дизентерия. Бруцеллез опасен как для животных, так и для человека, который заражается через молоко от инфицированной коровы. В 1976 году была впервые обнаружена «болезнь легионеров», которая передаётся через питьевую воду. От этой таинственной болезни лёгких погибло 34 члена Американского легиона на конференции в Филадельфии. Оказывается, что данная болезнь вызывается небольшой палочко – видной бактерией с жгутиками. Эти бактерии из тёплой воды попадают в организм человека и быстро размножаются в моноцитах, белых клетках крови, играющею немалую роль в иммунитете. Установлено, что «болезнь легионеров» охватила в США около 50 тыс. человек, причём 15 – 20% с летальным исходом. Бактерии вызывают гниение продуктов питания и других органических материалов, и некоторые чрезвычайно опасны для человека.