Развитие бактерий в различных условиях жизни

Прокариоты относятся к одноклеточным микроорганизмам, для которых характерно отсутствие окруженного оболочкой ядра. Несмотря на упрощенное строение, это одни из самых важных видов организмов в природе. Ученые всегда активно исследовали их строение, жизнедеятельность, особенности размножения и условия обитания. Существует целый раздел в биологии, посвященный микробам. Он называется бактериология. Предполагается, что количество видов прокариот достигает показателя около миллиона. В то время как изучен всего один процент многообразия этих организмов.

Особенности строения и условий обитания бактерий

Несмотря на отсутствие четкого клеточного ядра, генетический материал микробов находится в определенной зоне, называемой нуклеоидом. Также для них характерно наличие всего одной хромосомы, представленной длинной кольцевой молекулой ДНК. Это является их главной отличительной особенностью от всех остальных живых организмов, имеющих четко выделенное ядро и определенный набор хромосом.

Снаружи клетка микроорганизма окружена мембраной и особой стенкой, схожей по строению с аналогичным вариантом у растений. Указанные оболочки не дают бактерии лопнуть, при попадании в нее жидкости за счет осмоса. Также имеется защитная слизистая капсула, возможно наличие упрощенных по строению жгутиков.

Размножение происходит бесполым путем, в результате чего ДНК сначала удваивается, а затем каждая новая клетка получает свой одинарный набор хромосом. Классический вариант размножения может дополняться различными способами переноса ДНК из одной клетки в другую. К ним относятся:

• трансформация – поглощение из окружающей среды ДНК разрушенного микроорганизма, способствующее превращению обычной бактерии в патогенную;
• трансдукция – перенос генетического материала между особями при помощи вирусов;
• использование добавочных хромосом – плазмид, которые содержат информацию об устойчивости к антибиотикам.

Изучение всех видов размножения бактерий чрезвычайно важно для медицины, поскольку многие являются возбудителями опасных заболеваний. Понимание механизмов, благодаря которым увеличивается численность особей прокариот, дает возможность разрабатывать препараты для лечения разных патологий.

Помимо человеческого организма, бактерии обитают в почве, пресных и морских водоемах, где накапливаются большие объемы органического вещества. Некоторые виды способны выживать при экстремально низких и высоких температурах, могут переносить повышенную соленость воды. Например, именно бактерии являются единственными обитателями Мертвого моря.

Микробы существуют в атмосфере в каплях воды, причем их количество зависит от запыленности воздуха. Полезные безвредные микроорганизмы обитают в кишечнике животных и человека. Они являются частью нормальной микрофлоры ЖКТ и выполняют функцию подавления жизнедеятельности вредных инфекций.

Основные факторы, оказывающие влияние на рост и развитие бактерий:

• уровень влажности;
• степень освещения;
• рН показатель среды;
• величина температурного режима.

Дополнительным фактором, влияющим на жизнедеятельность микробов, является кислород. Одним видам он необходим для процесса дыхания, другие могут высвобождать энергию при отсутствии указанной составляющей воздуха. В первом случае бактерии относятся к аэробным организмам, которые являются свободноживущими формами. Паразитические микроорганизмы существуют в бескислородной среде и называются анаэробами.

Уровень влажности, необходимый для жизнедеятельности бактерий

Одноклеточные организмы могут расти и развиваться только в среде с определенным уровнем влажности. Вода необходима для большинства обменных процессов бактерий, а также для поддержания осмотического давления внутри клетки. Микробы относятся к влаголюбивым микроорганизмам, и при показателе влажности ниже 20% прекращают размножаться.

Некоторые виды приспособились к переживанию длительных периодов отсутствия воды, сохраняя при этом свою жизнедеятельность. Данное свойство часто используется в медицине для изготовления бактериальных препаратов. Споры микробов способны десятки лет существовать в безводной среде.

Развитие микроорганизмов также зависит от величины водной активности, которая выражает доступность жидкости, содержащейся в субстрате. Значение данного показателя варьируется в пределах от 0 до 1. Для размножения большинства микробов необходим уровень от 0,90 до 0,95.

Кислотность и рН показатель как основные факторы развития бактерий

Большинство микроорганизмов могут существовать в пределах pH среды в интервале от 4 до 9. При максимальном значении почти все виды микробов перестают расти и размножаться. Идеальным местом обитания считается среда с нейтральным показателем 7,07.

Особое звено в классификации бактерий занимают кисломолочные (ацидофильные) виды. Они предпочитают очень кислую среду, в связи с особенностями метаболизма. Именно в таких условиях особи способны превращать углеводы в молочную кислоту. Это свойство бактерий активно используется в производстве и медицине.

Несмотря на то, что большинство микроорганизмов перестает расти при рН ниже 4,5, некоторые виды выживают при показателе 1 и даже 0,1. При этом они не подвергаются сильному отрицательному воздействию условий окружающей среды. К ним относятся кислотоустойчивые тионовые бактерии, окисляющие водород и серу.

Температурное воздействие на микробы

У микроорганизмов отсутствуют механизмы, регулирующие тепловой режим, поэтому они зависят от условий окружающей среды. По отношению к теплу и холоду бактерии делятся на следующие виды:

• психрофилы;
• мезофилы;
• термофилы.

Психрофилы могут существовать в интервале температур от 0 до 20°С с оптимальным значением показателя на уровне 15°С. Бактерии являются обитателями холодных источников, глубоких озер, хорошо сохраняются на продуктах, хранящихся в холодильнике. К ним относится большинство гнилостных видов, выдерживающих понижение температуры до –9°С.

Мезофилы развиваются при средних показателях тепла окружающей среды. В эту группу попадают все патогенные и условно-патогенные бактерии. Оптимальная температура для их жизнедеятельности – 37°С.

Термофилы развиваются в зоне воздействия высоких температур. Минимальным значением является 35–40°С, оптимальным – 55–75°С. Многие термофильные бактерии обитают в горячих источниках и участвуют в процессах гниения навоза и сена.

Уровень освещения и активность прокариотов

Солнечный свет – самый опасный способ воздействия на бактерий. Исключение составляют виды, имеющие в составе клетки специальные пигменты. Благодаря им микроорганизмы могут использовать энергию солнечного света для своей жизнедеятельности. Под воздействием рассеянного освещения развитие обычных бактерий подавляется постепенно, а прямые лучи вызывают гибель микробов сразу.

Под влиянием ультрафиолетового спектра происходят изменения в структуре ДНК микроорганизмов мутагенного характера. Наиболее чувствительны к воздействию УФ-лучей вегетативные формы бактерий, а их споры отличаются повышенной устойчивостью.

Эффективность фактора зависит от длительности и силы облучения. Незначительные дозы могут стимулировать развитие микробов, более высокие – вызывают наследственные изменения. Степень воздействия применяется для получения новых штаммов микроорганизмов с активной способностью продуцировать ферменты и антибиотики.

Паразитические формы бактерий и условия их обитания

Все виды болезнетворных патогенов живут за счет питательных веществ организма-хозяина. При этом они выделяют продукты жизнедеятельности, токсичные для внутренних органов и систем, и провоцируют развитие воспалительных процессов. Заражение может происходить при контакте с носителем инфекции, использовании в пищу плохо обработанных продуктов. Очень часто переносчиками паразитов являются рыбы, птицы, млекопитающие.

По степени воздействия на здоровье человека бактерии делятся на:

• безопасные, не вызывающие заболевания у людей, но паразитирующие у растений и животных;
• условно-патогенные, которые в норме являются симбионтами, но при ослаблении иммунитета приводят к развитию воспалительных процессов;
• патогенные, провоцирующие ангину, ОРЗ, пневмонию и другие болезни, которые успешно лечатся в медицинских учреждениях;
• чрезвычайно опасные, характеризующиеся летальным исходом.

Наиболее изученный вид условно-патогенной бактерии, обитающей в ЖКТ человека, – Хеликобактер пилори. Микроорганизм образует колонии внутри складок слизистых оболочек желудка. Паразитирует при обычной кислотности желудочного сока, то есть при рН от 4 до 8. Интенсивное размножение бактерии приводит к развитию ряда заболеваний: гастрита, дуоденита, язвы двенадцатиперстной кишки. Основные симптомы поражения Helicobacter pylori проявляются в виде кишечных расстройств, приступообразных болей в животе, рвоты, метеоризма.

Опасно для человека заражение бактерией, называемой сальмонеллой. Она провоцирует развитие заболевания, причиной которого становятся грязные руки, пища и вода. Микроорганизм выделяется повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям. Сальмонеллы могут сохраняться в течение нескольких месяцев в воде, на поверхности предметов, в мясе и молоке крупного рогатого скота при 20–25°С. Дополнительно они выдерживают резкие понижения температуры до –80°С, но при нагреве жидкости до 100°С мгновенно погибают.