Микробы внутри нас. Полезные микробы внутри нас

Бактерии появились примерно 3,5-3,9 млрд лет назад, они были первыми живыми организмами на нашей планете. Со временем жизнь развивалась и усложнялась - появлялись новые, каждый раз более сложные формы организмов. Бактерии все это время не стояли в стороне, напротив, они были важнейшей составляющей эволюционного процесса. Именно они первыми выработали новые формы жизнеобеспечения, такие как дыхание, брожение, фотосинтез, катализ... а также нашли эффективные способы сосуществования практически с каждым живым существом. Исключением не стал и человек.

Внутри человека, как и внутри прочих млекопитающих, живет невообразимо большое количество бактерий. В наших телах их в 10 раз больше, чем всех клеток организма вместе взятых. Среди них абсолютное большинство - полезные, но парадокс в том, что их жизнедеятельность, их присутствие внутри нас - это нормальное положение дел, они зависят от нас, мы в свою очередь от них и при этом признаков этого сотрудничества мы никак не ощущаем. Другое дело - вредные, например патогенные бактерии, оказавшись внутри нас их присутствие тут же становится заметным, а последствия их активности могут стать очень серьезными

Люди в большинстве своём привыкли относиться к бактериям негативно. И не мудрено! Ведь чаще всего мы о них вспоминаем в спайке с такими словами, как инфекция, ангина, дизентерия… Продолжать этот нездоровый список можно долго, а между тем, бактерии нашему организму больше помогают, чем вредят. И пытаться «выжечь» их всех антибиотиками совершенно не стоит.

Познакомьтесь с бактериями, составляющими 90% живых клеток вашего организма. Человеческое тело «приютило» триллионы живых организмов – от палочкообразной кишечной палочки, использующей свой хвост, чтобы плавать вверх-вниз по нашим внутренностям, до сальмонеллы, которая может отравить еду, или спокойно жить на нашей коже без вреда для нас.

1.Компьютерное изображение бактерии (голубые и зеленые) на человеческой коже. На человеческой коже живет множество видов бактерий, особенно в потовых железах и волосяных луковицах. Обычно они не вызывают проблем, хотя некоторые могут вызывать боль. Обычно бактерии становятся проблемой, если проникают под кожу, например, при порезах или ссадинах. (SPL / BARCROFT MEDIA)

2. В одном человеческом теле от 500 до 1000 разных видов бактерий. Они размножаются, образуя около 100 триллионов отдельных клеток в 10 раз больше человеческих, которые и составляют наше тело. На фото: бактерия хеликобактер пилори, вызывающая язвенную болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки. (SPL / BARCROFT MEDIA)

3. «Только в кишечнике человека содержится почти 1,81 кг бактерий, - говорит доктор Рой Слэйтор. – На самом деле, мы люди лишь на 10%, все остальное – микробы». На фото: цепочки стрептококков. Грамположительные бактерии овальной формы – одна из причин пневмонии. Хотя в нашем организме они живут довольно гармонично, иногда они могут вызывать опасные инфекции в легких. (SPL / BARCROFT MEDIA)

4. Тот факт, что в нашем теле так много бактерий, может показаться волнующим, однако доктор Слэйтор говорит, что бактерии идут нам на пользу, и без них мы долго не выжили бы. «Эти отношения бактерий и человека чисто символические. В обмен на еду бактерии помогают нашему пищеварению, выработке витаминов и укреплению иммунной системы. Они также защищают нас от инфекций». На фото: кишечная палочка во внутренностях. Кишечная палочка может вызвать диарею. (SPL / BARCROFT MEDIA)

5. Концептуальная визуализация многочисленных кокков на поверхности клеток. (SPL / BARCROFT MEDIA)

6. Компьютерное изображение типичной палочкообразной бактерии. (SPL / BARCROFT MEDIA)

7. Плавающие бактерии. (SPL / BARCROFT MEDIA)

8. Компьютерное изображение хеликобактер пилори. (SPL / BARCROFT MEDIA)

9. Типичная реснитчатая палочкообразная бактерия. (SPL / BARCROFT MEDIA)

10. Хеликобактер пилори. (SPL / BARCROFT MEDIA)

11. Типичные палочкообразные бактерии включают в себя кишечную палочку и сальмонеллу, но есть и другие. Эти бактерии имеют жгутики на одном конце, с помощью которых они передвигаются. (SPL / BARCROFT MEDIA)

12. Фекальный стрептококк. Эта бактерия – одна из так называемых супербактерий, устойчивых к антибиотикам на некоторых этапах своего развития в системе пациента. (SPL / BARCROFT MEDIA)

13. Хеликобактер пилори в человеческом желудке. Эти бактерии вызывают гастрит и являются причиной рака желудка. Пилори также могут стать причиной или кофактором рака, так как присутствие этих бактерий повышает риск развития опухоли желудка. (SPL / BARCROFT MEDIA)

А теперь подробно и по порядку:

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.

Форма тела

Бактерии – многочисленные и разнообразные организмы. Они различаются по форме.

Название бактерии	Форма бактерии	Изображение бактерии
Кокки		Шарообразная
Бацилла		Палочковидная
Вибрион		Изогнутая в виде запятой
Спирилла		Спиралевидная
Стрептококки		Цепочка из кокков
Стафилококки		Грозди кокков
Диплококки		Две круглые бактерии, заключённые в одной слизистой капсуле

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

Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, - нуклеиновая кислота – ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.

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.

В центральной части клетки локализовано ядерное вещество – ДНК, не отграниченная от цитоплазмы мембраной. Это аналог ядра – нуклеоид. Нуклеоид не обладает мембраной, ядрышком и набором хромосом.

Способы питания

У бактерий наблюдаются разные способы питания. Среди них есть автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы – организмы, способные самостоятельно образовывать органические вещества для своего питания.

Извлекают питательные вещества из мёртвого и разлагающего органического материала. Обычно они выделяют в этот гниющий материал свои пищеварительные ферменты, а затем всасывают и усваивают растворённые продукты.

Живут совместно с другими организмами и часто приносят им ощутимую пользу. Бактерии, живущие в утолщениях корней бобовых растений.

Живут внутри другого организма или на нём, укрываются и питаются его тканями. Вызывают различные заболевания – бактериозы.

Растения нуждаются в азоте, но сами усваивают азот воздуха не могут. Некоторые бактерии соединяют содержащиеся в воздухе молекулы азота с другими молекулами, в результате чего получаются вещества, доступные для растений.

Эти бактерии поселяются в клетках молодых корней, что приводит к образованию на корнях утолщений, называемых клубеньками. Такие клубеньки образуются на корнях растений семейства бобовых и некоторых других растений.

Корни дают бактериям углеводы, а бактерии корням – такие содержащие азот вещества, которые могут быть усвоены растением. Их сожительство взаимовыгодно.

Корни растений выделяют много органических веществ (сахара, аминокислоты и другие), которыми питаются бактерии. Поэтому в слое почвы, окружающем корни, поселяется особенно много бактерий. Эти бактерии превращают отмершие остатки растений в доступные для растения вещества. Этот слой почвы называют ризосферой.

Существует несколько гипотез о проникновении клубеньковых бактерий в ткани корня:

через повреждения эпидермальной и коровой ткани;
через корневые волоски;
только через молодую клеточную оболочку;
благодаря бактериям-спутникам, продуцирующим пектинолитические ферменты;
благодаря стимуляции синтеза В-индолилуксусной кислоты из триптофана, всегда имеющегося в корневых выделениях растений.

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня состоит из двух фаз:

инфицирование корневых волосков;
процесс образования клубеньков.

В большинстве случаев внедрившаяся клетка, активно размножается, образует так называемые инфекционные нити и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения. Клубеньковые бактерии, вышедшие из инфекционной нити, продолжают размножаться в ткани хозяина.

Наполняющиеся быстро размножающимися клетками клубеньковых бактерий растительные клетки начинают усиленно делиться. Связь молодого клубенька с корнем бобового растения осуществляется благодаря сосудисто-волокнистым пучкам. В период функционирования клубеньки обычно плотные. К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.

Бактерии клубеньков создают десятки и сотни килограммов азотных удобрений на гектаре почвы.

Обмен веществ

Бактерии отличаются друг от друга обменом веществ. У одних он идёт при участии кислорода, у других – без его участия.

Большинство бактерий питается готовыми органическими веществами. Лишь некоторые из них (сине-зелёные, или цианобактерии), способны создавать органические вещества из неорганических. Они сыграли важную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли.

Бактерии впитывают вещества извне, разрывают их молекулы на части, из этих частей собирают свою оболочку и пополняют своё содержимое (так они растут), а ненужные молекулы выбрасывают наружу. Оболочка и мембрана бактерии позволяет ей впитывать только нужные вещества.

Если бы оболочка и мембрана бактерии были полностью непроницаемыми, в клетку не попали бы никакие вещества. Если бы они были проницаемыми для всех веществ, содержимое клетки перемешалось бы со средой – раствором, в которой обитает бактерия. Для выживания бактерии необходима оболочка, которая нужные вещества пропускает, а ненужные – нет.

Бактерия поглощает находящиеся близ неё питательные вещества. Что происходит потом? Если она может самостоятельно передвигаться (двигая жгутик или выталкивая назад слизь), то она перемещается, пока не найдёт необходимые вещества.

Если она двигаться не может, то ждёт, пока диффузия (способность молекул одного вещества проникать в гущу молекул другого вещества) не принесёт к ней необходимые молекулы.

Бактерии в совокупности с другими группами микроорганизмов выполняют огромную химическую работу. Превращая различные соединения, они получают необходимую для их жизнедеятельности энергию и питательные вещества. Процессы обмена веществ, способы добывания энергии и потребности в материалах для построения веществ своего тела у бактерий разнообразны.

Другие бактерии все потребности в углероде, необходимом для синтеза органических веществ тела, удовлетворяют за счёт неорганических соединений. Они называются автотрофами. Автотрофные бактерии способны синтезировать органические вещества из неорганических. Среди них различают:

Фотосинтезирующие бактерии

Хемосинтетики

Метилотрофы

Cинтезируют органические вещества за счёт солнечной энергии.

Цианобактерии, пурпурные бактерии и зелёные бактерии

Синтезируют органические вещества за счёт химической энергии окисления серы – серобактерии; аммония и нитрита – нитрифицирующие; железа – железобактерии; водорода – водородные бактерии.

Синтезируют органическое вещество за счёт химической энергии метаболизма углеродных соединений, содержащих метильную группу, простейшими из которых является метан.

Хемосинтез

Использование лучистой энергии – важнейший, но не единственный путь создания органического вещества из углекислого газа и воды. Известны бактерии, которые в качестве источника энергии для такого синтеза используют не солнечный свет, а энергию химических связей, происходящих в клетках организмов при окислении некоторых неорганических соединений – сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотной кислоты, закисных соединений железа и марганца. Образованное с использованием этой химической энергии органическое вещество они используют для построения клеток своего тела. Поэтому такой процесс называют хемосинтезом.

Важнейшую группу хемосинтезирующих микроорганизмов составляют нитрифицирующие бактерии. Эти бактерии живут в почве и осуществляют окисление аммиака, образовавшегося при гниении органических остатков, до азотной кислоты. Последняя, реагирует с минеральными соединениями почвы, превращаются в соли азотной кислоты. Этот процесс проходит в две фазы.

Железобактерии превращают закисное железо в окисное. Образованная гидроокись железа оседает и образует так называемую болотную железную руду.

Некоторые микроорганизмы существуют за счёт окисления молекулярного водорода, обеспечивая тем самым автотрофный способ питания.

Характерной особенностью водородных бактерий является способность переключаться на гетеротрофный образ жизни при обеспечении их органическими соединениями и отсутствии водорода.

Таким образом, хемоавтотрофы являются типичными автотрофами, так как самостоятельно синтезируют из неорганических веществ необходимые органические соединения, а не берут их в готовом виде от других организмов, как гетеротрофы. От фототрофных растений хемоавтотрофные бактерии отличаются полной независимостью от света как источника энергии.

Бактериальный фотосинтез

Некоторые пигментосодержащие серобактерии (пурпурные, зелёные), содержащие специфические пигменты – бактериохлорофиллы, способны поглощать солнечную энергию, с помощью которой сероводород в их организмах расщепляется и отдаёт атомы водорода для восстановления соответствующих соединений. Этот процесс имеет много общего с фотосинтезом и отличается только тем, что у пурпурных и зелёных бактерий донором водорода является сероводород (изредка – карбоновые кислоты), а у зелёных растений – вода. У тех и других отщепление и перенесение водорода осуществляется благодаря энергии поглощённых солнечных лучей.

Такой бактериальный фотосинтез, который происходит без выделения кислорода, называется фоторедукцией. Фоторедукция углекислого газа связана с перенесением водорода не от воды, а от сероводорода:

6СО 2 +12Н 2 S+hv → С6Н 12 О 6 +12S=6Н 2 О

Биологическое значение хемосинтеза и бактериального фотосинтеза в масштабах планеты относительно невелико. Только хемосинтезирующие бактерии играют существенную роль в процессе круговорота серы в природе. Поглощаясь зелёными растениями в форме солей серной кислоты, сера восстанавливается и входит в состав белковых молекул. Далее при разрушении отмерших растительных и животных остатков гнилостными бактериями сера выделяется в виде сероводорода, который окисляется серобактериями до свободной серы (или серной кислоты), образующий в почве доступные для растения сульфиты. Хемо- и фотоавтотрофные бактерии имеют существенное значение в круговороте азота и серы.

Спорообразование

Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий.

Споры – не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий – это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях.

Размножение

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее.

После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес – 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.

Бактерия (1), поглотившая достаточно пищи, увеличивается в размерах (2) и начинает готовиться к размножению (делению клетки). Её ДНК (у бактерии молекула ДНК замкнута в кольцо) удваивается (бактерия производит копию этой молекулы). Обе молекулы ДНК (3,4) оказываются, прикреплены к стенке бактерии и при удлинении бактерии расходятся в стороны (5,6). Сначала делится нуклеотид, затем цитоплазма.

После расхождения двух молекул ДНК на бактерии появляется перетяжка, которая постепенно разделяет тело бактерии на две части, в каждой из которых есть молекула ДНК (7).

Бывает (у сенной палочки), две бактерии слипаются, и между ними образуется перемычка (1,2).

По перемычке ДНК из одной бактерии переправляется в другую (3). Оказавшись в одной бактерии, молекулы ДНК сплетаются, слипаются в некоторых местах (4), после чего обмениваются участками (5).

Роль бактерий в природе

Круговорот

Бактерии – важнейшее звено общего круговорота веществ в природе. Растения создают сложные органические вещества из углекислого газа, воды и минеральных солей почвы. Эти вещества возвращаются в почву с отмершими грибами, растениями и трупами животных. Бактерии разлагают сложные вещества на простые, которые снова используют растения.

Бактерии разрушают сложные органические вещества отмерших растений и трупов животных, выделения живых организмов и разные отбросы. Питаясь этими органическими веществами, сапрофитные бактерии гниения превращают их в перегной. Это своеобразные санитары нашей планеты. Таким образом, бактерии активно участвуют в круговороте веществ в природе.

Почвообразование

Поскольку бактерии распространены практически повсеместно и встречаются в огромном количестве, они во многом определяют различные процессы, происходящие в природе. Осенью опадают листья деревьев и кустарников, отмирают надземные побеги трав, опадают старые ветки, время от времени падают стволы старых деревьев. Всё это постепенно превращается в перегной. В 1 см 3 . поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов сапрофитных почвенных бактерий нескольких видов. Эти бактерии превращают перегной в различные минеральные вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений.

Некоторые почвенные бактерии способны поглощать азот из воздуха, используя его в процессах жизнедеятельности. Эти азотофиксирующие бактерии живут самостоятельно или поселяются в корнях бобовых растений. Проникнув в корни бобовых, эти бактерии вызывают разрастание клеток корней и образование на них клубеньков.

Эти бактерии выделяют азотные соединения, которые используют растения. От растений бактерии получают углеводы и минеральные соли. Таким образом, между бобовым растением и клубеньковыми бактериями существует тесная связь, полезная как одному, так и другому организму. Это явление носит название симбиоза.

Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями бобовые растения обогащают почву азотом, способствуя повышению урожая.

Распространение в природе

Микроорганизмы распространены повсеместно. Исключение составляют лишь кратеры действующих вулканов и небольшие площадки в эпицентрах взорванных атомных бомб. Ни низкие температуры Антарктики, ни кипящие струи гейзеров, ни насыщенные растворы солей в соляных бассейнах, ни сильная инсоляция горных вершин, ни жёсткое облучение атомных реакторов не мешают существованию и развитию микрофлоры. Все живые существа постоянно взаимодействуют с микроорганизмами, являясь часто не только их хранилищами, но и распространителями. Микроорганизмы – аборигены нашей планеты, активно осваивающие самые невероятные природные субстраты.

Микрофлора почвы

Количество бактерий в почве чрезвычайно велико – сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв.

На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков.

Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора – один из факторов образования почв.

Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, - ризосферной микрофлорой.

Микрофлора водоёмов

Вода – природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается.

Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая – 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные.

По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.

Микрофлора воздуха

Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий, которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.

Микрофлора организма человека

Тело человека, даже полностью здорового, всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками – прекрасная среда для развития микроорганизмов.

Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном шаре.

Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце, печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы попадают только во время болезни.

Бактерии в круговороте веществ

Микроорганизмы вообще и бактерии в частности играют большую роль в биологически важных круговоротах веществ на Земле, осуществляя химические превращения, совершенно недоступные ни растениям, ни животным. Различные этапы круговорота элементов осуществляются организмами разного типа. Существование каждой отдельной группы организмов зависит от химического превращения элементов, осуществляемого другими группами.

Круговорот азота

Циклическое превращение азотистых соединений играет первостепенную роль в снабжении необходимыми формами азота различных по пищевым потребностям организмов биосферы. Свыше 90% общей фиксации азота обусловлено метаболической активностью определённых бактерий.

Круговорот углерода

Биологическое превращение органического углерода в углекислый газ, сопровождающееся восстановлением молекулярного кислорода, требует совместной метаболической активности разнообразных микроорганизмов. Многие аэробные бактерии осуществляют полное окисление органических веществ. В аэробных условиях органические соединения первоначально расщепляются путём сбраживания, а органические конечные продукты брожения окисляются далее в результате анаэробного дыхания, если имеются неорганические акцепторы водорода (нитрат, сульфат или СО 2).

Круговорот серы

Для живых организмов сера доступна в основном в форме растворимых сульфатов или восстановленных органических соединений серы.

Круговорот железа

В некоторых водоёмах с пресной водой содержатся в высоких концентрациях восстановленные соли железа. В таких местах развивается специфическая бактериальная микрофлора – железобактерии, окисляющие восстановленное железо. Они участвуют в образовании болотных железных руд и водных источников, богатых солями железа.

Бактерии являются самыми древними организмами, появившимися около 3,5 млрд. лет назад в архее. Около 2,5 млрд. лет они доминировали на Земле, формируя биосферу, участвовали в образовании кислородной атмосферы.

Бактерии являются одними из наиболее просто устроенных живых организмов (кроме вирусов). Полагают, что они — первые организмы, появившиеся на Земле.

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.

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.

Форма тела

Бактерии — многочисленные и разнообразные организмы. Они различаются по форме.

Название бактерии	Форма бактерии	Изображение бактерии
Кокки		Шарообразная
Бацилла		Палочковидная
Вибрион		Изогнутая в виде запятой
Спирилла		Спиралевидная
Стрептококки		Цепочка из кокков
Стафилококки		Грозди кокков
Диплококки		Две круглые бактерии, заключённые в одной слизистой капсуле

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.

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

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.

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.

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.

Внутреннее строение

Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, — нуклеиновая кислота — ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.

В центральной части клетки локализовано ядерное вещество — ДНК, не отграниченная от цитоплазмы мембраной. Это аналог ядра — нуклеоид. Нуклеоид не обладает мембраной, ядрышком и набором хромосом.

Способы питания

У бактерий наблюдаются разные способы питания. Среди них есть автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — организмы, способные самостоятельно образовывать органические вещества для своего питания.

Корни дают бактериям углеводы, а бактерии корням — такие содержащие азот вещества, которые могут быть усвоены растением. Их сожительство взаимовыгодно.

Существует несколько гипотез о проникновении клубеньковых бактерий в ткани корня:

через повреждения эпидермальной и коровой ткани;
через корневые волоски;
только через молодую клеточную оболочку;
благодаря бактериям-спутникам, продуцирующим пектинолитические ферменты;
благодаря стимуляции синтеза В-индолилуксусной кислоты из триптофана, всегда имеющегося в корневых выделениях растений.

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня состоит из двух фаз:

инфицирование корневых волосков;
процесс образования клубеньков.

Бактерии клубеньков создают десятки и сотни килограммов азотных удобрений на гектаре почвы.

Обмен веществ

Бактерии отличаются друг от друга обменом веществ. У одних он идёт при участии кислорода, у других — без его участия.

Если бы оболочка и мембрана бактерии были полностью непроницаемыми, в клетку не попали бы никакие вещества. Если бы они были проницаемыми для всех веществ, содержимое клетки перемешалось бы со средой — раствором, в которой обитает бактерия. Для выживания бактерии необходима оболочка, которая нужные вещества пропускает, а ненужные — нет.

Хемосинтез

Использование лучистой энергии — важнейший, но не единственный путь создания органического вещества из углекислого газа и воды. Известны бактерии, которые в качестве источника энергии для такого синтеза используют не солнечный свет, а энергию химических связей, происходящих в клетках организмов при окислении некоторых неорганических соединений — сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотной кислоты, закисных соединений железа и марганца. Образованное с использованием этой химической энергии органическое вещество они используют для построения клеток своего тела. Поэтому такой процесс называют хемосинтезом.

Бактериальный фотосинтез

Некоторые пигментосодержащие серобактерии (пурпурные, зелёные), содержащие специфические пигменты — бактериохлорофиллы, способны поглощать солнечную энергию, с помощью которой сероводород в их организмах расщепляется и отдаёт атомы водорода для восстановления соответствующих соединений. Этот процесс имеет много общего с фотосинтезом и отличается только тем, что у пурпурных и зелёных бактерий донором водорода является сероводород (изредка — карбоновые кислоты), а у зелёных растений — вода. У тех и других отщепление и перенесение водорода осуществляется благодаря энергии поглощённых солнечных лучей.

6СО 2 +12Н 2 S+hv → С6Н 12 О 6 +12S=6Н 2 О

Спорообразование

Споры — не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий — это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях.

Размножение

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес — 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.

Бывает (у сенной палочки), две бактерии слипаются, и между ними образуется перемычка (1,2).

Роль бактерий в природе

Круговорот

Бактерии — важнейшее звено общего круговорота веществ в природе. Растения создают сложные органические вещества из углекислого газа, воды и минеральных солей почвы. Эти вещества возвращаются в почву с отмершими грибами, растениями и трупами животных. Бактерии разлагают сложные вещества на простые, которые снова используют растения.

Почвообразование

Распространение в природе

Микроорганизмы распространены повсеместно. Исключение составляют лишь кратеры действующих вулканов и небольшие площадки в эпицентрах взорванных атомных бомб. Ни низкие температуры Антарктики, ни кипящие струи гейзеров, ни насыщенные растворы солей в соляных бассейнах, ни сильная инсоляция горных вершин, ни жёсткое облучение атомных реакторов не мешают существованию и развитию микрофлоры. Все живые существа постоянно взаимодействуют с микроорганизмами, являясь часто не только их хранилищами, но и распространителями. Микроорганизмы — аборигены нашей планеты, активно осваивающие самые невероятные природные субстраты.

Микрофлора почвы

Количество бактерий в почве чрезвычайно велико — сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв.

Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора — один из факторов образования почв.

Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, — ризосферной микрофлорой.

Микрофлора водоёмов

Вода — природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается.

Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая — 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные.

Микрофлора воздуха

Микрофлора организма человека

Тело человека, даже полностью здорового, всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками — прекрасная среда для развития микроорганизмов.

Бактерии в круговороте веществ

Круговорот азота

Круговорот углерода

Круговорот серы

Круговорот железа

В некоторых водоёмах с пресной водой содержатся в высоких концентрациях восстановленные соли железа. В таких местах развивается специфическая бактериальная микрофлора — железобактерии, окисляющие восстановленное железо. Они участвуют в образовании болотных железных руд и водных источников, богатых солями железа.

Бактерии являются одними из наиболее просто устроенных живых организмов (кроме вирусов). Полагают, что они - первые организмы, появившиеся на Земле.

БАКТЕРИИ
обширная группа одноклеточных микроорганизмов, характеризующихся отсутствием окруженного оболочкой клеточного ядра. Вместе с тем генетический материал бактерии (дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК) занимает в клетке вполне определенное место - зону, называемую нуклеоидом. Организмы с таким строением клеток называются прокариотами ("доядерными") в отличие от всех остальных - эукариот ("истинно ядерных"), ДНК которых находится в окруженном оболочкой ядре. Бактерии, ранее считавшиеся микроскопическими растениями, сейчас выделены в самостоятельное царство Monera - одно из пяти в нынешней системе классификации наряду с растениями, животными, грибами и протистами.

Ископаемые свидетельства. Вероятно, бактерии - древнейшая известная группа организмов. Слоистые каменные структуры - строматолиты, - датируемые в ряде случаев началом археозоя (архея), т.е. возникшие 3,5 млрд. лет назад, - результат жизнедеятельности бактерий, обычно фотосинтезирующих, т.н. сине-зеленых водорослей. Подобные структуры (пропитанные карбонатами бактериальные пленки) образуются и сейчас, главным образом у побережья Австралии, Багамских островов, в Калифорнийском и Персидском заливах, однако они относительно редки и не достигают крупных размеров, потому что ими питаются растительноядные организмы, например брюхоногие моллюски. В наши дни строматолиты растут в основном там, где эти животные отсутствуют из-за высокой солености воды или по другим причинам, однако до появления в ходе эволюции растительноядных форм они могли достигать огромных размеров, составляя существенный элемент океанического мелководья, сравнимый с современными коралловыми рифами. В некоторых древних горных породах обнаружены крохотные обугленные сферы, которые также считаются остатками бактерий. Первые ядерные, т.е. эукариотические, клетки произошли от бактерий примерно 1,4 млрд. лет назад.
Экология. Бактерий много в почве, на дне озер и океанов - повсюду, где накапливается органическое вещество. Они живут в холоде, когда столбик термометра чуть превышает нулевую отметку, и в горячих кислотных источниках с температурой выше 90° С. Некоторые бактерии переносят очень высокую соленость среды; в частности, это единственные организмы, обнаруженные в Мертвом море. В атмосфере они присутствуют в каплях воды, и их обилие там обычно коррелирует с запыленностью воздуха. Так, в городах дождевая вода содержит гораздо больше бактерий, чем в сельской местности. В холодном воздухе высокогорий и полярных областей их мало, тем не менее они встречаются даже в нижнем слое стратосферы на высоте 8 км. Густо заселен бактериями (обычно безвредными) пищеварительный тракт животных. Эксперименты показали, что для жизнедеятельности большинства видов они не обязательны, хотя и могут синтезировать некоторые витамины. Однако у жвачных (коров, антилоп, овец) и многих термитов они участвуют в переваривании растительной пищи. Кроме того, иммунная система животного, выращенного в стерильных условиях, не развивается нормально из-за отсутствия стимуляции бактериями. Нормальная бактериальная "флора" кишечника важна также для подавления попадающих туда вредных микроорганизмов.

СТРОЕНИЕ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ

Бактерии гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных. Толщина их обычно составляет 0,5-2,0 мкм, а длина - 1,0-8,0 мкм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов (примерно 0,3 мкм), но известны и виды длиной более 10 мкм и шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий может превышать в длину 50 мкм. На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.
Строение. По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну - спириллы. Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хромосомы - очень длинной кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной в одной точке к клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез (см. также КЛЕТКА). У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь - клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм - заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры - рибосомы, необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами. За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы - важные компоненты мембран эукариотической клетки. Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода. Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают. Жгутики бактерий устроены проще и несколько иначе, чем аналогичные структуры эукариот.

"ТИПИЧНАЯ" БАКТЕРИАЛЬНАЯ КЛЕТКА и ее основные структуры.

Сенсорные функции и поведение. Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких "вкусовых" рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной "вкусовой слепоте". Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды - на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка - Fe3O4). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды. Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую интенсивность стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или изменяют его.
Размножение и генетика. Бактерии размножаются бесполым путем: ДНК в их клетке реплицируется (удваивается), клетка делится надвое, и каждая дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК. Бактериальная ДНК может передаваться и между неделящимися клетками. При этом их слияния (как у эукариот) не происходит, число особей не увеличивается, и обычно в другую клетку переносится лишь небольшая часть генома (полного набора генов), в отличие от "настоящего" полового процесса, при котором потомок получает по полному комплекту генов от каждого родителя. Такой перенос ДНК может осуществляться тремя путями. При трансформации бактерия поглощает из окружающей среды "голую" ДНК, попавшую туда при разрушении других бактерий или сознательно "подсунутую" экспериментатором. Процесс называется трансформацией, поскольку на ранних стадиях его изучения основное внимание уделялось превращению (трансформации) таким путем безвредных организмов в вирулентные. Фрагменты ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии особыми вирусами - бактериофагами. Это называется трансдукцией. Известен также процесс, напоминающий оплодотворение и называемый конъюгацией: бактерии соединяются друг с другом временными трубчатыми выростами (копуляционными фимбриями), через которые ДНК переходит из "мужской" клетки в "женскую". Иногда в бактерии присутствуют очень мелкие добавочные хромосомы - плазмиды, которые также могут переноситься от особи к особи. Если при этом плазмиды содержат гены, обусловливающие резистентность к антибиотикам, говорят об инфекционной резистентности. Она важна с медицинской точки зрения, поскольку может распространяться между различными видами и даже родами бактерий, в результате чего вся бактериальная флора, скажем кишечника, становится устойчивой к действию определенных лекарственных препаратов.

МЕТАБОЛИЗМ

Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии - секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится "на голодном пайке", поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.
Питание. Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы ("сами себя питающие") не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO2). Включая CO2 и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH3), нитраты (NO-3) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты. Гетеротрофы ("питающиеся другим") используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO2) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство прокариот, сходны с человеком.
Главные источники энергии. Если для образования (синтеза) клеточных компонентов используется в основном световая энергия (фотоны), то процесс называется фотосинтезом, а способные к нему виды - фототрофами. Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от того, какие соединения - органические или неорганические - служат для них главным источником углерода. Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H2O). При этом выделяется свободный кислород (1/2O2) и образуется водород (2H+), который, можно сказать, превращает диоксид углерода (CO2) в углеводы. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H2S). В результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным. Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют световую энергию для получения водорода из органических веществ, в частности изопропанола, но его источником у них может служить и газообразный H2. Если основной источник энергии в клетке - окисление химических веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода - органические или неорганические. У первых органика дает как энергию, так и углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ, например водорода (до воды: 2H4 + O2 в 2H2O), железа (Fe2+ в Fe3+) или серы (2S + 3O2 + 2H2O в 2SO42- + 4H+), а углерод - из СO2. Эти организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они "питаются" горными породами.
Дыхание. Клеточное дыхание - процесс высвобождения химической энергии, запасенной в "пищевых" молекулах, для ее дальнейшего использования в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным. В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н. электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к кислороду вместе с ионами водорода - образуется вода. Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой группы он даже ядовит. Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны присоединяются к другим неорганическим акцепторам, например нитрату, сульфату или карбонату, или (при одной из форм такого дыхания - брожении) к определенной органической молекуле, в частности к глюкозе. См. также МЕТАБОЛИЗМ.

КЛАССИФИКАЦИЯ

У большинства организмов видом принято считать репродуктивно изолированную группу особей. В широком смысле это означает, что представители данного вида могут давать плодовитое потомство, спариваясь только с себе подобными, но не с особями других видов. Таким образом, гены конкретного вида, как правило, не выходят за его пределы. Однако у бактерий может происходить обмен генами между особями не только разных видов, но и разных родов, поэтому правомерно ли применять здесь привычные концепции эволюционного происхождения и родства, не вполне ясно. В связи с этой и другими трудностями общепринятой классификации бактерий пока не существует. Ниже приведен один из широко используемых ее вариантов.
ЦАРСТВО MONERA

Тип Gracilicutes (тонкостенные грамотрицательные бактерии)

Класс Scotobacteria (нефотосинтезирующие формы, например миксобактерии) Класс Anoxyphotobacteria (не выделяющие кислорода фотосинтезирующие формы, например пурпурные серные бактерии) Класс Oxyphotobacteria (выделяющие кислород фотосинтезирующие формы, например цианобактерии)

Тип Firmicutes (толстостенные грамположительные бактерии)

Класс Firmibacteria (формы с жесткой клеткой, например клостридии)
Класс Thallobacteria (разветвленные формы, например актиномицеты)

Тип Tenericutes (грамотрицательные бактерии без клеточной стенки)

Класс Mollicutes (формы с мягкой клеткой, например микоплазмы)

Тип Mendosicutes (бактерии с неполноценной клеточной стенкой)

Класс Archaebacteria (древние формы, например метанобразующие)

Домены. Недавние биохимические исследования показали, что все прокариоты четко разделяются на две категории: маленькую группу архебактерий (Archaebacteria - "древние бактерии") и всех остальных, называемых эубактериями (Eubacteria - "истинные бактерии"). Считается, что архебактерии по сравнению с эубактериями примитивнее и ближе к общему предку прокариот и эукариот. От прочих бактерий они отличаются несколькими существенными признаками, включая состав молекул рибосомной РНК (pРНК), участвующей в синтезе белка, химическую структуру липидов (жироподобных веществ) и присутствие в клеточной стенке вместо белково-углеводного полимера муреина некоторых других веществ. В приведенной выше системе классификации архебактерии считаются лишь одним из типов того же царства, которое объединяет и всех эубактерий. Однако, по мнению некоторых биологов, различия между архебактериями и эубактериями настолько глубоки, что правильнее рассматривать архебактерии в составе Monera как особое подцарство. В последнее время появилось еще более радикальное предложение. Молекулярный анализ выявил между двумя этими группами прокариот столь существенные различия в структуре генов, что присутствие их в рамках одного царства организмов некоторые считают нелогичным. В связи с этим предложено создать таксономическую категорию (таксон) еще более высокого ранга, назвав ее доменом, и разделить все живое на три домена - Eucarya (эукариоты), Archaea (архебактерии) и Bacteria (нынешние эубактерии).

ЭКОЛОГИЯ

Две важнейшие экологические функции бактерий - фиксация азота и минерализация органических остатков.
Азотфиксация. Связывание молекулярного азота (N2) с образованием аммиака (NH3) называется азотфиксацией, а окисление последнего до нитрита (NO-2) и нитрата (NO-3) - нитрификацией. Это жизненно важные для биосферы процессы, поскольку растениям необходим азот, но усваивать они могут лишь его связанные формы. В настоящее время примерно 90% (ок. 90 млн. т) годового количества такого "фиксированного" азота дают бактерии. Остальное количество производится химическими комбинатами или возникает при разрядах молний. Азот воздуха, составляющий ок. 80% атмосферы, связывается в основном грамотрицательным родом ризобиум (Rhizobium) и цианобактериями. Виды ризобиума вступают в симбиоз примерно с 14 000 видов бобовых растений (семейство Leguminosae), к которым относятся, например, клевер, люцерна, соя и горох. Эти бактерии живут в т.н. клубеньках - вздутиях, образующихся на корнях в их присутствии. Из растения бактерии получают органические вещества (питание), а взамен снабжают хозяина связанным азотом. За год таким способом фиксируется до 225 кг азота на гектар. В симбиоз с другими азотфиксирующими бактериями вступают и небобовые растения, например ольха. Цианобактерии фотосинтезируют, как зеленые растения, с выделением кислорода. Многие из них способны также фиксировать атмосферный азот, потребляемый затем растениями и в конечном итоге животными. Эти прокариоты служат важным источником связанного азота почвы в целом и рисовых чеков на Востоке в частности, а также главным его поставщиком для океанских экосистем.
Минерализация. Так называется разложение органических остатков до диоксида углерода (CO2), воды (H2O) и минеральных солей. С химической точки зрения, этот процесс эквивалентен горению, поэтому он требует большого количества кислорода. В верхнем слое почвы содержится от 100 000 до 1 млрд. бактерий на 1 г, т.е. примерно 2 т на гектар. Обычно все органические остатки, попав в землю, быстро окисляются бактериями и грибами. Более устойчиво к разложению буроватое органическое вещество, называемое гуминовой кислотой и образующееся в основном из содержащегося в древесине лигнина. Оно накапливается в почве и улучшает ее свойства.

БАКТЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Учитывая разнообразие катализируемых бактериями химических реакций, неудивительно, что они широко используются в производстве, в ряде случаев с глубокой древности. Славу таких микроскопических помощников человека прокариоты делят с грибами, в первую очередь - дрожжами, которые обеспечивают большую часть процессов спиртового брожения, например при изготовлении вина и пива. Сейчас, когда стало возможным вводить в бактерии полезные гены, заставляя их синтезировать ценные вещества, например инсулин, промышленное применение этих живых лабораторий получило новый мощный стимул. См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.
Пищевая промышленность. В настоящее время бактерии применяются этой отраслью в основном для производства сыров, других кисломолочных продуктов и уксуса. Главные химические реакции здесь - образование кислот. Так, при получении уксуса бактерии рода Acetobacter окисляют этиловый спирт, содержащийся в сидре или других жидкостях, до уксусной кислоты. Аналогичные процессы происходят при квашении капусты: анаэробные бактерии сбраживают содержащиеся в листьях этого растения сахара до молочной кислоты, а также уксусной кислоты и различных спиртов.
Выщелачивание руд. Бактерии применяются для выщелачивания бедных руд, т.е. переведения из них в раствор солей ценных металлов, в первую очередь меди (Cu) и урана (U). Пример - переработка халькопирита, или медного колчедана (CuFeS2). Кучи этой руды периодически поливают водой, в которой присутствуют хемолитотрофные бактерии рода Thiobacillus. В процессе своей жизнедеятельности они окисляют серу (S), образуя растворимые сульфаты меди и железа: CuFeS2 + 4O2 в CuSO4 + FeSO4. Такие технологии значительно упрощают получение из руд ценных металлов; в принципе, они эквивалентны процессам, протекающим в природе при выветривании горных пород.
Переработка отходов. Бактерии служат также для превращения отходов, например сточных вод, в менее опасные или даже полезные продукты. Сточные воды - одна из острых проблем современного человечества. Их полная минерализация требует огромных количеств кислорода, и в обычных водоемах, куда принято сбрасывать эти отходы, его для их "обезвреживания" уже не хватает. Решение заключается в дополнительной аэрации стоков в специальных бассейнах (аэротенках): в результате бактериям-минерализаторам хватает кислорода для полного разложения органики, и одним из конечных продуктов процесса в наиболее благоприятных случаях становится питьевая вода. Остающийся по ходу дела нерастворимый осадок можно подвергнуть анаэробному брожению. Чтобы такие водоочистные установки отнимали как можно меньше места и денег, необходимо хорошее знание бактериологии.
Другие пути использования. К другим важным областям промышленного применения бактерий относится, например, мочка льна, т.е. отделение его прядильных волокон от других частей растения, а также производство антибиотиков, в частности стрептомицина (бактериями рода Streptomyces).

БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Бактерии приносят не только пользу; борьба с их массовым размножением, например в пищевых продуктах или в водных системах целлюлозно-бумажных предприятий, превратилась в целое направление деятельности. Пища портится под действием бактерий, грибов и собственных вызывающих автолиз ("самопереваривание") ферментов, если не инактивировать их нагреванием или другими способами. Поскольку главная причина порчи все-таки бактерии, разработка систем эффективного хранения продовольствия требует знания пределов выносливости этих микроорганизмов. Одна из наиболее распространенных технологий - пастеризация молока, убивающая бактерии, которые вызывают, например, туберкулез и бруцеллез. Молоко выдерживают при 61-63° С в течение 30 мин или при 72-73° С всего 15 с. Это не ухудшает вкуса продукта, но инактивирует болезнетворные бактерии. Пастеризовать можно также вино, пиво и фруктовые соки. Давно известна польза хранения пищевых продуктов на холоде. Низкие температуры не убивают бактерий, но не дают им расти и размножаться. Правда, при замораживании, например, до -25° С численность бактерий через несколько месяцев снижается, однако большое количество этих микроорганизмов все же выживает. При температуре чуть ниже нуля бактерии продолжают размножаться, но очень медленно. Их жизнеспособные культуры можно хранить почти бесконечно долго после лиофилизации (замораживания - высушивания) в среде, содержащей белок, например в сыворотке крови. К другим известным методам хранения пищевых продуктов относятся высушивание (вяление и копчение), добавка больших количеств соли или сахара, что физиологически эквивалентно обезвоживанию, и маринование, т.е. помещение в концентрированный раствор кислоты. При кислотности среды, соответствующей pH 4 и ниже, жизнедеятельность бактерий обычно сильно тормозится или прекращается.

БАКТЕРИИ И БОЛЕЗНИ

ИЗУЧЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Многие бактерии нетрудно выращивать в т.н. культуральной среде, в состав которой могут входить мясной бульон, частично переваренный белок, соли, декстроза, цельная кровь, ее сыворотка и другие компоненты. Концентрация бактерий в таких условиях обычно достигает примерно миллиарда на кубический сантиметр, в результате чего среда становится мутной. Для изучения бактерий необходимо уметь получать их чистые культуры, или клоны, представляющие собой потомство одной-единственной клетки. Это нужно, например, для определения того, какой вид бактерии инфицировал больного и к какому антибиотику данный вид чувствителен. Микробиологические образцы, например, взятые из горла или ран мазки, пробы крови, воды или других материалов, сильно разводят и наносят на поверхность полутвердой среды: на ней из отдельных клеток развиваются округлые колонии. Отверждающим культуральную среду агентом обычно служит агар - полисахарид, получаемый из некоторых морских водорослей и почти ни одним видом бактерий не перевариваемый. Агаровые среды используют в виде "косячков", т.е. наклонных поверхностей, образующихся в стоящих под большим углом пробирках при застывании расплавленной культуральной среды, или в виде тонких слоев в стеклянных чашках Петри - плоских круглых сосудах, закрываемых такой же по форме, но чуть большей по диаметру крышкой. Обычно через сутки бактериальная клетка успевает размножиться настолько, что образует легко заметную невооруженным глазом колонию. Ее можно перенести на другую среду для дальнейшего изучения. Все культуральные среды должны быть перед началом выращивания бактерий стерильными, а в дальнейшем следует принимать меры против поселения на них нежелательных микроорганизмов. Чтобы рассмотреть выращенные таким способом бактерии, прокаливают на пламени тонкую проволочную петлю, прикасаются ею сначала к колонии или мазку, а затем - к капле воды, нанесенной на предметное стекло. Равномерно распределив взятый материал в этой воде, стекло высушивают и два-три раза быстро проводят над пламенем горелки (сторона с бактериями должна быть обращена вверх): в результате микроорганизмы, не повреждаясь, прочно прикрепляются к субстрату. На поверхность препарата капают краситель, затем стекло промывают в воде и вновь сушат. Теперь можно рассматривать образец под микроскопом. Чистые культуры бактерий идентифицируют главным образом по их биохимическим признакам, т.е. определяют, образуют ли они из определенных сахаров газ или кислоты, способны ли переваривать белок (разжижать желатину), нуждаются ли для роста в кислороде и т.д. Проверяют также, окрашиваются ли они специфическими красителями. Чувствительность к тем или иным лекарственным препаратам, например антибиотикам, можно выяснить, поместив на засеянную бактериями поверхность маленькие диски из фильтровальной бумаги, пропитанные данными веществами. Если какое-либо химическое соединение убивает бактерии, вокруг соответствующего диска образуется свободная от них зона.

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Каждое животное, будь то человек, кальмар или оса, служит домом для миллионов бактерий и других микробов. Научный журналист Эд Йонг, автор книги «Как микробы управляют нами», побуждает нас посмотреть на себя и наших внутренних спутников в новом свете - не как на индивидуумов, а как на большой взаимосвязанный и взаимозависимый мир. Книга в русском переводе подготовлена в издательстве «АСТ». О том, почему её стоит прочесть, рассказывает научный редактор издания Виктор Ковылин , выпускник кафедры антропологии биологического факультета МГУ, главный редактор научно-популярного проекта The Batrachospermum Magazine . Беседу ведёт Анна Тимофеева .

- Виктор Андреевич, как вы думаете, почему сейчас так часто говорят о мире внутри нас? Связано ли это с развитием науки или, скорее, имеет общественные корни?

Я думаю, это связано с тем, что микробиология как таковая долгое время оставалась предметом узких научных интересов, в общественном же сознании укоренилось негативное восприятие микробов как инфекционных агентов, которые приходят извне и от которых нужно избавляться. Даже в XX веке микробы в основном изучались в рамках такой парадигмы, и только во второй его половине внимание переключилось на позитивные аспекты мира микробов, в том числе живущих внутри нас. До общественного сознания, разумеется, всё это доходит с задержкой, и я полагаю, что понимать всю важность нашего внутреннего микробного мира, мириться с его существованием и принимать как часть себя обычные люди стали совсем недавно. Это достаточно новая концепция, она во многом непонятна, поэтому пугает: уж слишком силён старый стереотип восприятия микробов как исключительно патогенов.

Кроме того, сам бум исследований микробиома человека происходит буквально прямо сейчас, благо в арсенале учёных появились усовершенствованные методы и технологии для его изучения. Наш «внутренний мир» только начал открываться по-настоящему. И у общества, как мне кажется, в последнее время повысился интерес к научным открытиям, так что оно готово впитывать эти новые знания и обсуждать их.

- Название у книги в оригинале звучит несколько иначе: «I Contain Multitudes: The Microbes Within Us and a Grander View of Life» («Я вмещаю множества: микробы внутри нас и грандиозный взгляд на жизнь»). С чем связано решение изменить его?

Думаю, издательство решило изменить название, чтобы сделать его более понятным и интригующим для обывателя. Я предпочёл бы сохранить оригинальное название и активно за это выступал. Оно, как мне кажется, адекватнее содержанию книги, которая призвана познакомить читателей с микробным миром внутри и вокруг нас, его многоликостью, грандиозностью и неоднозначностью. А управление - лишь один из аспектов этого мира, причём недостаточно ещё изученный, чтобы категорично утверждать, кто кем управляет. Мы тоже можем микробами управлять и использовать их, можем влиять на наш микробиом, так что тут взаимный процесс, и об этом следует помнить, читая книгу, чтобы не складывалось ложных представлений исходя из одного лишь названия. Книга вмещает намного больше, чем отражено в её названии. Другой вопрос, что большинству людей, признаемся честно, мало интересен микробный мир как таковой и его взаимодействие с миром животных. Интереснее, насколько безопасно жить с микробами и что они делают непосредственно с нами, людьми.

- Слово «микробы» действительно обладает негативным оттенком: мы чаще всего видим за ним некие вредные микроскопические организмы, которые угрожают нашему здоровью. Вот и в названии есть этот посыл: нами управляет кто-то нехороший! Слово «микроб» очень часто используется как простой синоним слова «бактерия», в том числе и в этой книге, не так ли? Как вы относитесь к проблеме «злых» микробов?

Ну разве не интригует, когда узнаёшь, что нами управляет некая тёмная сущность! Это же входит в противоречие с нашими стремлениями к добру и вообще меняет наш взгляд на самих себя. Возможно, на это и расчёт у нового названия. И если оно привлечёт широкую публику и просветит её хоть немного на тему микробов вообще - и плохих и хороших, - будет не так уж и плохо, не правда ли?

Микробы - это не только бактерии. В книге рассказывается и о других микробах, например об археях, но о них мы пока знаем недостаточно много, их открыли только в конце 1970-х. В основном в книге речь действительно о бактериях - и о том, как они сожительствуют и взаимодействуют с животными, включая людей. И да, вы правы - слово «микробы» часто употребляется для замены слова «бактерии», но это не синонимы, микробы - более широкое понятие.

«Злые» микробы - это, как я уже сказал, стереотип и пережиток научных представлений первой половины XX века. На самом деле внутри нас обитает менее сотни видов бактерий, которые вредят нам или могут стать опасными при определённых условиях. Но нейтральных, мирных и полезных микробов, помогающих нам выживать, - тысячи видов! И они в том числе помогают нашему организму бороться с вредными микробами. Врага, безусловно, надо знать в лицо, но огульно переносить негативное отношение на тех, кто просто выглядит похоже, неправильно. И книга должна помочь изменить это отношение.

- В ней больше про «злых» микробов или про обыкновенных и скромных?

У микробов нет морали, их нельзя разделить на хороших и плохих. Они, как и все живые организмы, пытаются выживать и в первую очередь думают о себе. Приносят микробы кому-то пользу или причиняют вред - не сильно их волнует. Это мы можем оценивать их - по отношению к нам. С нашей точки зрения, есть злодеи, с которыми ни при каких условиях лучше не встречаться, кроме как в костюме биологической защиты: например, чумная палочка или бацилла сибирской язвы. Но с такими, как правило, и не встречаешься. А вот другие могут жить внутри нас и творить нам и добро и зло одновременно. Например, знаменитая Helicobacter pylori , которую связывают с язвой и раком желудка, вроде как препятствует раку пищевода. Всё относительно. Если организм держит ту или иную бактерию в узде, она ведёт себя смирно, а если иммунитет вдруг ослабнет - может этим воспользоваться. Бактерия будет мирно жить в кишечнике, а случайно попав в кровь, спровоцирует жёсткую иммунную реакцию с тяжёлыми последствиями. Кишечная палочка полезна в кишечнике, но в других органах вызовет неприятности. Изгнать бактерий из себя, чтобы не давать им повода нас предать, тоже нельзя: они ведь помогают нам в пищеварении, регуляции иммунной системы и так далее. Нужно и привечать такие бактерии, и учиться их контролировать.

- Человеческий организм - многоквартирный дом, блок коммуналок или, скорее, офисное здание?

Это город, в разных районах которого живут разные слои населения. Какие-то микробы просто живут, пользуясь подходящей инфраструктурой, другие ещё и работают на организм, дающий им дом, ну и правонарушители тоже попадаются - если микроб сунется туда, куда не следует, полицейские клетки иммунной системы сразу возьмут его в оборот.

- Что такое по сути союз человека и бактерий? Насколько он равноправный - и кто извлекает из него большую выгоду?

В силу разных размеров наши представления о выгоде попросту несопоставимы! Если же рассматривать микробиом в целом (мы с ним примерно равны в клеточном отношении, хотя клеток микробов в нашем теле на треть больше, чем наших собственных), то тут можно сказать, что человеку туго придётся без него. А вот микробы, пожалуй, найдут себе других хозяев. Микробы жили на Земле до человека и после гибели человечества тоже не пропадут. Нам союз с ними однозначно выгоден, и мы учимся извлекать из него всё больше и больше выгоды, использовать микробов для улучшения нашего существования, даже тех из них, которые не связаны союзом конкретно с людьми: в пищевой промышленности, например.

- Какие дела, творимые бактериями внутри нас, вызывают наибольшее удивление?

Особенно много полезной для нас работы микробы проводят на ранних этапах жизни. Они, например, помогают формировать ворсинки кишечника, обновлять слои его стенок. Помогают созревать иммунной системе, стимулируют развитие разных групп иммунных клеток, тренируют их и вместе с ними обеспечивают иммунитет, настраивая его против других бактерий, но не против себя. Появляются научные работы, где говорится о влиянии бактерий на развитие нервных клеток, на мозг, на поведение.

Одним из самых больших откровений для меня стало то, как определённые бактерии формируют здоровую экосистему младенца при содействии материнского молока. Оно, оказывается, необходимо не для самого младенца, а для бактерий внутри него, чтобы они выполнили свою работу. И там всё связано: молоко, бактерии, здоровый кишечник, иммунная система, а возможно, и развитие мозга. Это поразительно. И сложно.

- Как вы считаете, для кого написана эта книга? Кому она будет полезна?

Она будет интересна и полезна тем, кто увлекается биологией, а также интересуется проблемами здоровья. Это, конечно же, не только биологи и врачи, но и многие любознательные люди, которые хотят разобраться в устройстве природы и человека как её части. Тех, кто не имеет специального образования, книга не должна отпугнуть кажущейся узкой тематикой, она написана достаточно живо, я бы даже сказал местами игриво и не особенно сложным языком. Хотя тут у меня может быть когнитивное искажение из-за биологического образования. Но всё же она во многих местах потребует вдумчивого чтения, это не текст для «чайников», написанный детским языком, это научно-популярный текст, где оба компонента - «популярно» и «научно» - одинаково значимы. Скажу про себя: я ведь далеко не микробиолог, и микробы со всеми их секретами и суперспособностями меня обычно мало интересовали. Но теперь смотрю на окружающий мир по-новому - пришло осознание, что привычные, видимые глазом объекты и существа находятся в постоянном взаимодействии с миром микробов. Как Йонг написал в конце первой главы, «хоть невооружённым глазом его не разглядеть, я его наконец-то вижу».

- Какова, на ваш взгляд, разница между российскими читателями этой книги и её изначальной англоговорящей аудиторией? Возникнет ли разница в восприятии? А сама книга - сильно ли она изменилась, получив русское лицо?

Аудитория, потребляющая научно-популярную литературу, на Западе огромна, и научпоп там «лезет» изо всех щелей, включая обычные общественно-политические издания. Сейчас в России наметился явный рост аудитории, интересующейся наукой, но всё равно, как мне кажется, в этом плане мы отстаём от США и Великобритании. Например, в англоязычных СМИ и блогосфере микробиология весьма популярна, по крайней мере если судить по доступной на сайтах статистике просмотров. У нас эта тема не вызывает столь массового интереса. Если речь идёт о микробах как о возможной угрозе или полезной в хозяйстве субстанции, то ухо читателя более или менее навостряется, а вот микробы как часть природы уже мало кого трогают. Не сформировалось понимание того, что жизнь микробов и наука о них могут быть увлекательными. Поэтому если говорить о массовом читателе, то тут разница в восприятии может быть в силу разной изначальной подготовленности к этому самому восприятию.

Что же касается каких-то культурных моментов и контекстов, понятных жителям США и Великобритании, но непонятных нам, то в книге их мало, и там, где возникала необходимость пояснений, они даны. В целом мы стремились сделать перевод, максимально близкий по смыслу к оригиналу. Перевод сверялся с оригиналом построчно. Старались адаптировать даже авторскую игру, аллюзии. Даже каламбуры умудрились перевести, и, как мне кажется, удачно. Русскоязычный читатель останется доволен. Ну и поскольку я биолог, то взял на себя смелость заняться научной редактурой: смотрел, чтобы термины употреблялись правильно, добавлял примечания с некоторыми разъяснениями. Кроме того, поскольку за год с момента выпуска книги за рубежом по затронутым в ней темам вышли новые научные статьи, то я по мере возможности добавил эти крупицы новых знаний в сносках, обновил список литературы.

- Что вы думаете о современном состоянии популяризации науки в нашей стране? Каких научно-популярных книг должно быть больше на полках книжных магазинов?

Сейчас с популяризацией науки в России всё очень хорошо по сравнению с тем, что было десять лет назад. Много мероприятий, фестивалей, лекций с участием видных и известных фигур. Регулярно появляются новые талантливые активисты, которым удаётся влиться в популяризаторские ряды. Меня скорее напрягает, что многие люди, заметив тренд, пытаются участвовать в нём ради популяризации не столько науки, сколько самих себя, ещё и чтобы заработать на этом. Зачастую такая «популяризация» бесталанна, неоригинальна, я бы даже сказал, пошла. Это неприятное явление. Качественная популяризация не может быть ширпотребом по определению. Но качественной популяризации очень мало на телевидении. В этом я вижу проблему. И во многом это происходит из нежелания популяризаторов участвовать в том «цирке», который транслируется по ТВ. Что бы там ни говорили о смерти телевидения, это по-прежнему очень эффективный канал донесения информации. Пока популяризаторы не желают ходить на рейтинговые обсуждения актуальных проблем, так или иначе апеллирующих к науке, из боязни быть заплёванными, туда ходят всякие клоуны и мракобесы. Коих и в интернете тоже полно и с огромными аудиториями. Только в интернете пространства больше, из него мракобесов не выдавишь, а на ТВ всё «канализировано» - так нужно этими каналами пользоваться, засылать туда «наукоботов» массово. Но это тема для отдельного большого обсуждения.

Что же о том, каких книг должно быть больше, - ну так это не решается «по заказу». Хорошая научно-популярная книга рождается, если автор действительно увлечён конкретной темой и её популяризацией. Такая книга не останется без внимания. Лично мне не нравится, когда текст написан по потребностям толпы: это попытки донести до неё науку житейским, порой даже откровенно идиотским, зато «модным» языком. Я люблю книги, которые удерживают баланс научного и популярного, и тут уже не так важно, о каких науках эта книга, - она получается достойной и найдёт своего читателя, пусть даже не столь массового.

- Вы ведёте научно-популярный проект «Батрахоспермум». Откуда такое название?

От научного имени одной водоросли. Мы назвали так стенгазету на биофаке в 2000 году, будучи смешливыми первокурсниками, просто потому что звучит дерзко и смешно, ну и материалы наши были такими же. Сейчас это онлайн-журнал о науке, всё по-серьёзному, но местами провокативно и весело - в традициях бренда.

Всемирно известный ученый рассказал, как бактерии влияют на наше здоровье и характер, откуда берутся новые инфекции и когда появятся революционные антибиотики

Константин Северинов - доктор биологических наук, заведует лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Института биологии гена РАН, а также лабораторией в Институте молекулярной генетики РАН, является профессором Сколковского института науки и технологий (Сколтеха ), профессором Университета Ратгерса (США ).

БАКТЕРИИ НА ДРЕВЕ ЖИЗНИ

Представьте себе огромное дерево, на котором каждая веточка - это генетический текст, определенный набор генов, соответствующий какому-нибудь организму, - рисует «пейзаж» Константин Северинов. - На этом очень разлапистом, ветвистом дереве люди, животные и растения займут совсем крохотное место в кроне, а все остальное разнообразие - бактерии, то есть микробы. Для нас они могут казаться однообразными, потому что очень мелкие и мы не видим различий. Но на самом деле бактерии составляют более 95% разнообразия жизни на планете. Многих микробов называют «экстремофилами», потому что они живут в очень неподходящих с нашей точки зрения условиях: в вечной мерзлоте, в горячих источниках, на дне океана под гигантским давлением и в безумной концентрации соли в Мертвом море.

Но мы-то привыкли, что микробы - это вредители, возбудители болезней. Если они настолько вездесущи и ко всему могут приспособиться, то, выходит, человечество никогда не выиграет борьбу с ними, не избавится от опасных инфекций?

Этот стереотип гуляет еще со времен Пастера (знаменитый французский микробиолог, основоположник теории инфекционных заболеваний. - Авт. ): мы, мол, находимся в состоянии войны с коварным противником - микробами, которые планируют какие-то шаги, блокпосты строят и хотят нас покорить. Реальная ситуация совершенно другая. Во-первых, подавляющее большинство микроорганизмов о нас знать не знают, ведать не ведают, занимаются своими делами, и мы им глубоко безразличны. А с другой стороны, мы сами в значительной степени зависим от населяющих нас микробов, причем, гораздо больше, чем они от нас.

ВИТАМИНЫ ЗАКАЗЫВАЛИ?

- Тогда расскажите: почему и как мы зависим от бактерий?

Тело человека состоит примерно из триллиона клеток. И при этом внутри нашего организма живет в десятки раз большее количество клеток бактерий! В основном они обитают в кишечнике и фактически образуют единый огромный орган - микробиом. Это самый большой по весу орган человека, гораздо больше чем печень или мозг.

Наши бактерии выполняют массу незаменимых функций. Например, люди потеряли способность, которая есть у ближайших родственников - приматов: вырабатывать ряд витаминов и аминокислот, необходимых для жизни. Мы можем это себе позволить, потому что в нас живут бактерии, которые производят такие вещества для нас. Кишечные бактерии вносят большой вклад в работу иммунной системы: они вырабатывают важные противовоспалительные соединения, синтез которых наш организм обеспечить не может. Кстати, современные исследования показывают, что некоторые болезни, которые до недавних пор считались генетическими, связывались со стрессами и другими факторами, на самом деле имеют бактериальную природу. Диабет, аутоимунные болезни (когда иммунитет атакует собственные здоровые клетки организма и разрушает органы. - Авт. ), даже некоторые психические заболевания - такие, как шизофрения, могут быть вызваны изменениями в составе микробиома.

В ТЕМУ

- Канадские ученые провели серию опытов, которые показали: бактериальная кишечная инфекция может ухудшить... память. Лабораторных мышей заражали бактерией Citrobacter rodentium, нарушающей работу кишечника. Грызуны с таким расстройством стали намного хуже узнавать знакомые предметы - начинали исследовать их так, будто видят впервые. Эксперты предполагают, что кишечная палочка Escherichia coli может аналогично ослаблять память людей.

- Австралийский врач Барри Маршалл в 1984 году заразил себя бактерией Helicobacter pylori и заработал гастрит, а затем язву желудка. И успешно вылечился антибиотиками. Самоотверженного исследователя, открывшего бактериальную природу гастрита и язвы желудка, наградили Нобелевской премией.

- Датские ученые установили, что у стройных людей в кишечнике значительно больше бактерий семейства Christensenelaceae, чем у тех, кто страдает избыточным весом. Поскольку микроорганизмы принимают активное участие в нашем обмене веществ, исследователи предположили, что данный тип бактерий является одним из факторов, отвечающих за хорошую фигуру.

ЗАМАНИТЬ МИКРОБОВ, ЧТОБЫ ПОХУДЕТЬ И ВЫЗДОРОВЕТЬ

Есть версия, что лишний вес у людей - это тоже плоды работы (или недоработки?) бактерий. Если так, то можно ли похудеть, воздействуя на бактерий?

Да, такие примеры есть. В США уже прошел клинические испытания и применяется на практике не очень эстетичный, но весьма действенный метод. Людям с излишним весом пересаживают содержимое кишечника от стройных доноров. Часть бактерий приживается, часть гибнет, процедуры нужно повторять. Но эффект заметный. Кроме того, эта технология позволяет лечить тяжелые и опасные заболевания: колиты и болезнь Крона. Вообще, я думаю, что чем больше мы будем узнавать о взаимосвязи бактерий с теми или иными болезнями, тем активнее будет развиваться новое перспективное направление в медицине: лечение путем восстановления нормального состава микробиома.

А кроме пересадки полезных бактерий из кишечника никак нельзя их в организм поселить? Пить пробиотики, например?

Пробиотики, как правило, представляют собой высушенные препараты одного или нескольких видов «нормальных» кишечных бактерий, нарощенных в лаборатории. Для создания пробиотиков, которые смогут по-настоящему лечить людей, необходимо выделить огромное количество бактерий, охарактеризовать и изучить их совместное действие друг на друга и на людей, а также обеспечить эффективный способ их доставки в нужное место кишечника и дать им возможность выселить «конкурентов». Хотя, после приема антибиотиков, которые подобны атомной бомбе и убивают большинство микроорганизмов у нас в кишечнике, могут быть полезны и уже существующие простые пробиотики, Они могут помочь частично восстановить и нормализовать микрофлору. Только помните, что не имеет смысла принимать такие препараты, пока вы не закончили лечение антибиотиками: они уничтожат все вновь заселенные бактерии.

АНТИБИОТИКИ ИЗОБРЕТЕНЫ БАКТЕРИЯМИ ДЛЯ ОБЩЕНИЯ МЕЖДУ СОБОЙ

Всемирная организация здравоохранения считает, что одна из главных угроз для человечества сейчас - устойчивость вредных бактерий к большинству известных антибиотиков. Из-за этого люди могут лишиться защиты от опасных инфекций. А новые антибиотики на прилавках аптек уже давно не появлялись. Почему?

Вообще, антибиотики это вовсе не изобретение людей, а химические вещества, с помощью которых бактерии «общаются» друг с другом. В природе микроорганизмы образуют сложные сообщества. Члены сообщества зависят друг от друга, некоторые помогают друг другу, а иные пытаются расправиться с конкурентами - всё как у людей, непростые отношения, - улыбается профессор . - Конечная цель каждого вида бактерий в сообщества - победить, занять собой как можно больше места. А другие этого не дают, поскольку у них самих такая же цель. В итоге создается и поддерживается определенный баланс.

При этом самая важная информация для бактерий - есть ли в каком-то месте пища и сколько там других представителей как твоего вида, так и другого вида, которые могут тебя не пустить. И определяют они это с помощью механизма, который по-английски называется quorum sensing, а по-русски - «чувство локтя». Фактически все выглядит так: в определенном объеме среды есть некоторое количество бактерий, и каждая бактерия выпускает наружу определенное вещество, присутствие которого она и её собратья могут почувствовать. Если бактерий много, то концентрация этого вещества будет высокой и микробы «поймут», что здесь тесно, пищи на всех не хватит и прекратят расти. Вот эти вещества, дающие сигнал, что расти дальше нельзя, и есть антибиотики. Так что исторически антибиотики были «изобретены» бактериями для общения между собой.

- Поскольку бактерий в природе несметное количество, у нас есть шансы открыть еще много новых антибиотиков?

На определенном этапе с этим возникла проблема. Изначально ученые культивировали (выращивали. - Авт. ) разные бактерии в лаборатории, на чашках Петри, и изучали вещества, выделяемые выросшими микроорганизмами. Преимущественно использовали почвенных бактерий, потому что в земле их много, они активно «общаются» между собой с помощью химических сигналов и некоторые из них прекрасно растут в лаборатории. Однако набор таких «культивируемых» микроорганизмов все же ограничен, поэтому в последнее время не было слышно об открытии новых антибиотиков. А к большинству старых бактерии приспособились за счет мутаций и стали резистентны.

МЕТАГЕНОМ И ПЯТЫЙ АЙФОН

Относительно недавно произошел прорыв - появилась новая наука геномика. Для ученых открылась возможность определять и изучать геномы бактерий, отказывающихся расти в лаборатории. А таких бактерий большинство, просто они не видимы для классических микробиологов. Если сейчас прямо здесь, около нас с вами пылесосом засосать воздух через бактериальный фильтр, то с помощью современных приборов мы сможем определить метагеном - набор генов всех организмов, которые присутствовали в образце воздуха. Можно взять образец микрофлоры кишечника, смыва с кожи, чего угодно. А дальше с помощью другой новой науки - биоинформатики можно читать генетические тексты, сравнивать гены друг с другом, новые гены - с теми, что нам уже знакомы.

Окажется, что в любом образце будет огромное количество разнообразных неизвестных нам генов из некультивируемых бактерий. Мы их не можем вырастить, не можем подержать в руках, но опознаем по их генам. Именно такой подход позволяет, например, установить взаимосвязь между изменением метагенома бактерий внутри человека и развитием определенных болезней, состояний, даже свойств характера. Если смотреть в будущее, то при достаточном развитии соцсетей и технологий геномного секвенирования (расшифровки геномов. - Авт. ) можно будет на свою персональную страницу выставлять и собственный геном, и микробиом. Эксперты-маркетологи смогут проводить масштабные ассоциативные исследования: при наличии такой-то бактерии у людей чаще всего возникает желание купить пятый айфон... А если серьезно, то благодаря таким технологиям удастся с высочайшей точностью диагностировать заболевания, отклонения, природа которых сейчас является загадкой. И успешно подбирать лечение, в том числе с помощью бактерий.

В то же время геномика открывает широкие горизонты для поиска новых антибиотиков. Мы читаем генетическую информацию неизвестных прежде бактерий, с помощью биоинформатики предсказываем группы генов, которые отвечают за выработку веществ-антибиотиков. А потом генные инженеры создают новые штаммы на основе бактерий, хорошо растущих в лаборатории, содержащих такие гены и поэтому производящих новые антибиотики.

ЗНАКОМЬТЕСЬ: НОВАЯ ИНФЕКЦИЯ

- С тех пор, как в Африке разбушевалась Эбола, многих тревожит вопрос: как и откуда берутся новые инфекции?

Микробы очень хорошо адаптируются к изменениям окружающей среды. Микроорганизмы постоянно обмениваются друг с другом своими генами и вирусами, которых у них очень много. Некоторые вирусы случайно встраиваются в геном бактерий, и получается микроб с несколько изменёнными свойствами. Скорее всего, он умрет, но иногда не умирает, и некоторые такие редкие микробы могут вызвать вспышку заболевания за счет вредных генов, привнесенных вирусом.

Среда очень сильно изменилась с тех пор, как люди стали широко применять антибиотики, особенно в сельском хозяйстве. Гены устойчивости к антибиотикам распространились, а на самом деле оказались отобранными людьми и теперь обнаруживаются с высокой частотой у большинства патогенных бактерий. Это создает огромные трудности при лечении вызванных ими «новых» старых инфекций, которые особенно часто встречаются внутри больниц.

Что касается лихорадки Эбола, то ее вызывает не бактерия, а вирус. От человека к человеку он по воздуху не передается. Если вы не едите на завтрак мясо гориллы или африканских летучих мышей, то вам не о чем беспокоиться.

ЭТО ПРИГОДИТСЯ

Чем подкормить полезных бактерий

Говорят, полезные бактерии у нас в организме гибнут не только от антибиотиков, но и когда мы едим продукты с консервантами. Это правда?

Научные исследования, подтверждающие это, мне не известны. Все продукты, которые широко используются в пищу, проходят очень серьезные испытания: на токсичность, канцерогенность и другие показатели безопасности. Большинство этих тестов связаны как раз с проверкой действия компонентов пищи на бактерий. Так что качественные продукты, прошедшие полноценную проверку, безопасны. По крайней мере, при умеренном потреблении.

- А что поможет нашим полезным бактериям чувствовать себя лучше?

Кефир, кисломолочные продукты полезная вещь, это еще Мечников пропагандировал больше ста лет назад. Вообще, хотя таких исследований не проводилось, но почти наверняка окажется, что наши полезные микробы хорошо реагируют на рецепты из книги «О вкусной и здоровой пище». Диетологи и домашние хозяйки ничего не знали о микробах, но в конце концов прижились именно те блюда, которые не вызывают отторжения обитателей нашего самого большого органа.