Бактерии Временной диапазон: Архей [1] – настоящее время | |
---|---|
Сканирующая электронная микрофотография палочек Escherichia coli | |
Научная классификация | |
Домен: | Бактерии Вёзе и др. 1990 |
Фила | |
См. § Фила | |
Синонимы | |
|
Бактерии ( / b æ k ˈ t ɪər i ə / ;ед. р.:бактерия) — вездесущие, в основном свободноживущие организмы, часто состоящие из однойбиологической клетки. Они составляют большуюобластьпрокариотическихмикроорганизмов. Обычно длиной в несколькомикрометров, бактерии были одними из первых форм жизни, появившихся наЗемле, и присутствуют в большинстве ееместообитаний. Бактерии населяют почву, воду,кислые горячие источники,радиоактивные отходыиглубокую биосферуземнойкоры. Бактерии играют жизненно важную роль на многих этапах круговоротапитательных веществ, перерабатывая питательные вещества ификсируя азотизатмосферы. Круговорот питательных веществ включаетразложениемертвых тел;бактерии отвечают загниенияв этом процессе. В биологических сообществах, окружающихгидротермальные источникиихолодные просачивания,экстремофильныебактерии обеспечивают питательные вещества, необходимые для поддержания жизни, путем преобразования растворенных соединений, таких каксероводородиметан, в энергию. Бактерии также живут вмутуалистических,комменсальныхипаразитическихотношениях с растениями и животными. Большинство бактерий не были охарактеризованы, и существует множество видов, которые невозможновыраститьв лабораторных условиях. Изучение бактерий известно какбактериология, разделмикробиологии.
Как и все животные, люди переносят огромное количество (приблизительно от 10 13 до 10 14 ) бактерий. [2] Большинство из них находятся в кишечнике , хотя многие находятся на коже. Большинство бактерий в организме и на нем безвредны или становятся таковыми благодаря защитным эффектам иммунной системы , а многие из них полезны , [3] особенно те, что находятся в кишечнике. Однако несколько видов бактерий являются патогенными и вызывают инфекционные заболевания , включая холеру , сифилис , сибирскую язву , проказу , туберкулез , столбняк и бубонную чуму . Наиболее распространенными смертельными бактериальными заболеваниями являются респираторные инфекции . Антибиотики используются для лечения бактериальных инфекций , а также в сельском хозяйстве, что делает устойчивость к антибиотикам растущей проблемой. Бактерии играют важную роль в очистке сточных вод и ликвидации разливов нефти , производстве сыра и йогурта путем ферментации , извлечении золота, палладия , меди и других металлов в горнодобывающем секторе ( биомайнинг , биовыщелачивание ), а также в биотехнологии и производстве антибиотиков и других химикатов.
Когда-то считавшиеся растениями, составляющими класс Schizomycetes («делящиеся грибы»), бактерии теперь классифицируются как прокариоты . В отличие от клеток животных и других эукариот , бактериальные клетки не содержат ядра и редко содержат связанные с мембраной органеллы . Хотя термин «бактерии» традиционно включал всех прокариот, научная классификация изменилась после открытия в 1990-х годах, что прокариоты состоят из двух совершенно разных групп организмов, которые произошли от древнего общего предка . Эти эволюционные домены называются Бактерии и Археи . [4]
Слово « бактерии» — это множественное число от неолатинского слова bacterium , которое является латинизацией древнегреческого βακτήριον ( baktḗrion ), [5] уменьшительного от βακτηρία ( baktēría ), что означает «жезл, трость», [6], поскольку первые обнаруженные бактерии имели форму палочек . [7] [8]
Предками бактерий были одноклеточные микроорганизмы, которые были первыми формами жизни , появившимися на Земле около 4 миллиардов лет назад. [10] В течение примерно 3 миллиардов лет большинство организмов были микроскопическими, а бактерии и археи были доминирующими формами жизни. [11] [12] [13] Хотя существуют бактериальные окаменелости , такие как строматолиты , отсутствие у них отличительной морфологии не позволяет использовать их для изучения истории эволюции бактерий или для датирования времени происхождения конкретного вида бактерий. Однако последовательности генов можно использовать для реконструкции бактериальной филогении , и эти исследования показывают, что бактерии сначала отделились от архейной/эукариотической линии. [14] Самый последний общий предок (MRCA) бактерий и архей, вероятно, был гипертермофилом , который жил около 2,5–3,2 миллиарда лет назад. [15] [16] [17] Самая ранняя жизнь на суше могла быть бактериями около 3,22 миллиарда лет назад. [18]
Бактерии также были вовлечены во вторую большую эволюционную дивергенцию, архей и эукариот. [19] [20] Здесь эукариоты возникли в результате вступления древних бактерий в эндосимбиотические ассоциации с предками эукариотических клеток, которые сами, возможно, были связаны с археями. [21] [22] Это включало поглощение протоэукариотическими клетками альфапротеобактериальных симбионтов с образованием либо митохондрий , либо гидрогеносом , которые все еще встречаются у всех известных эукариот (иногда в сильно редуцированной форме , например, у древних «амитохондриальных» простейших). Позже некоторые эукариоты, которые уже содержали митохондрии, также поглощали цианобактериоподобные организмы, что привело к образованию хлоропластов у водорослей и растений. Это известно как первичный эндосимбиоз . [23]
Бактерии вездесущи, они живут во всех возможных средах обитания на планете, включая почву, под водой, глубоко в земной коре и даже в таких экстремальных средах, как кислые горячие источники и радиоактивные отходы. [24] [25] Считается, что на Земле насчитывается около 2×10 30 бактерий, [26] образуя биомассу , которую превосходят только растения. [27] Они в изобилии встречаются в озерах и океанах, в арктических льдах и геотермальных источниках, [28] где они обеспечивают питательные вещества, необходимые для поддержания жизни, преобразуя растворенные соединения, такие как сероводород и метан , в энергию. [29] Они живут на растениях и животных и в них. Большинство из них не вызывают заболеваний, полезны для окружающей среды и необходимы для жизни. [3] [30] Почва является богатым источником бактерий, и в нескольких граммах их содержится около тысячи миллионов. Все они необходимы для экологии почвы, разрушая токсичные отходы и перерабатывая питательные вещества. Они даже находятся в атмосфере, и один кубический метр воздуха содержит около ста миллионов бактериальных клеток. Океаны и моря содержат около 3 x 10 26 бактерий, которые обеспечивают до 50% кислорода, которым дышат люди. [31] Только около 2% видов бактерий были полностью изучены. [32]
Место обитания | Разновидность | Ссылка |
---|---|---|
Холодно (минус 15 °C Антарктида) | Криптоэндолиты | [33] |
Горячие ( гейзеры 70–100 °C ) | Термус акватический | [32] |
Радиация, 5 млн рад | Дейнококкус радиодуранс | [33] |
Солевой раствор, 47% соли ( Мертвое море , Большое Соленое озеро ) | несколько видов | [32] [33] |
Кислотность pH 3 | несколько видов | [24] |
Щелочной pH 12,8 | бетапротеобактерии | [33] |
Космос (6 лет на спутнике НАСА ) | Сенная палочка | [33] |
3,2 км под землей | несколько видов | [33] |
Высокое давление ( Марианская впадина – 1200 атм ) | Морителла, Шеванелла и другие | [33] |
Размер . Бактерии демонстрируют большое разнообразие форм и размеров. Бактериальные клетки составляют около одной десятой размера эукариотических клеток и обычно имеют длину 0,5–5,0 микрометров . Однако несколько видов видны невооруженным глазом — например, Thiomargarita namibiensis имеет длину до половины миллиметра, [34] Epulopiscium fishelsoni достигает 0,7 мм, [35] а Thiomargarita magnifica может достигать даже 2 см в длину, что в 50 раз больше, чем у других известных бактерий. [36] [37] Среди самых маленьких бактерий есть представители рода Mycoplasma , которые имеют размер всего 0,3 микрометра, такие же маленькие, как самые большие вирусы . [38] Некоторые бактерии могут быть еще меньше, но эти ультрамикробактерии недостаточно изучены. [39]
Форма . Большинство видов бактерий имеют либо сферическую форму, называемую кокками ( ед. ч. coccus , от греч. kókkos , зерно, семя), либо палочковидную форму, называемую бациллами ( ед . ч . bacillus, от лат. baculus , палочка). [40] Некоторые бактерии, называемые вибрионами , имеют форму слегка изогнутых стержней или запятых; другие могут иметь спиралевидную форму, называемые спириллами , или плотно скрученные, называемые спирохетами . Было описано небольшое количество других необычных форм, таких как звездообразные бактерии. [41] Это большое разнообразие форм определяется клеточной стенкой бактерий и цитоскелетом и важно, поскольку оно может влиять на способность бактерий получать питательные вещества, прикрепляться к поверхностям, плавать в жидкостях и избегать хищников . [42] [43]
Многоклеточность . Большинство видов бактерий существуют в виде отдельных клеток; другие объединяются в характерные структуры: Neisseria образует диплоиды (пары), стрептококки образуют цепочки, а стафилококки группируются в кластеры «виноградной грозди». Бактерии также могут группироваться, образуя более крупные многоклеточные структуры, такие как удлиненные нити видов Actinomycetota , агрегаты видов Myxobacteria и сложные гифы видов Streptomyces . [45] Эти многоклеточные структуры часто наблюдаются только в определенных условиях. Например, при недостатке аминокислот миксобактерии обнаруживают окружающие клетки в процессе, известном как quorum sensing , мигрируют навстречу друг другу и объединяются, образуя плодовые тела длиной до 500 микрометров, содержащие приблизительно 100 000 бактериальных клеток. [46] В этих плодовых телах бактерии выполняют отдельные задачи; например, примерно одна из десяти клеток мигрирует в верхнюю часть плодового тела и дифференцируется в специализированное состояние покоя, называемое миксоспорой, которое более устойчиво к высыханию и другим неблагоприятным условиям окружающей среды. [47]
Биопленки . Бактерии часто прикрепляются к поверхностям и образуют плотные скопления, называемые биопленками [48] и более крупные образования, известные как микробные маты . [49] Эти биопленки и маты могут иметь толщину от нескольких микрометров до полуметра в глубину и могут содержать несколько видов бактерий, простейших и архей. Бактерии, живущие в биопленках, демонстрируют сложное расположение клеток и внеклеточных компонентов, образуя вторичные структуры, такие как микроколонии , через которые проходят сети каналов для лучшей диффузии питательных веществ. [50] [51] В естественных условиях, таких как почва или поверхности растений, большинство бактерий связаны с поверхностями в биопленках. [52] Биопленки также важны в медицине, поскольку эти структуры часто присутствуют во время хронических бактериальных инфекций или при инфекциях имплантированных медицинских устройств , а бактерии, защищенные внутри биопленок, гораздо сложнее убить, чем отдельные изолированные бактерии. [53]
Бактериальная клетка окружена клеточной мембраной , которая в основном состоит из фосфолипидов . Эта мембрана окружает содержимое клетки и действует как барьер для удержания питательных веществ, белков и других важных компонентов цитоплазмы внутри клетки. [54] В отличие от эукариотических клеток , бактерии обычно не имеют крупных мембраносвязанных структур в своей цитоплазме, таких как ядро , митохондрии , хлоропласты и другие органеллы, присутствующие в эукариотических клетках. [55] Однако некоторые бактерии имеют связанные с белками органеллы в цитоплазме, которые разделяют аспекты бактериального метаболизма, [56] [57] , такие как карбоксисома . [58] Кроме того, бактерии имеют многокомпонентный цитоскелет , чтобы контролировать локализацию белков и нуклеиновых кислот внутри клетки, а также управлять процессом деления клетки . [59] [60] [61]
Многие важные биохимические реакции, такие как генерация энергии, происходят из-за градиентов концентрации на мембранах, создавая разность потенциалов, аналогичную батарее. Общее отсутствие внутренних мембран у бактерий означает, что эти реакции, такие как транспорт электронов , происходят через клеточную мембрану между цитоплазмой и внешней частью клетки или периплазмой . [62] Однако у многих фотосинтезирующих бактерий плазматическая мембрана сильно сложена и заполняет большую часть клетки слоями светособирающей мембраны. [63] Эти светособирающие комплексы могут даже образовывать липидно-заключенные структуры, называемые хлоросомами, у зеленых серных бактерий . [64]
Бактерии не имеют связанного с мембраной ядра, и их генетический материал обычно представляет собой одну кольцевую бактериальную хромосому ДНК , расположенную в цитоплазме в теле неправильной формы, называемом нуклеоидом . [65] Нуклеоид содержит хромосому с ее связанными белками и РНК . Как и все другие организмы , бактерии содержат рибосомы для производства белков, но структура бактериальной рибосомы отличается от таковой у эукариот и архей. [66]
Некоторые бактерии производят внутриклеточные гранулы для хранения питательных веществ, такие как гликоген , [67] полифосфат , [68] сера [69] или полигидроксиалканоаты . [70] Бактерии, такие как фотосинтетические цианобактерии , производят внутренние газовые вакуоли , которые они используют для регулирования своей плавучести, что позволяет им перемещаться вверх или вниз в водные слои с различной интенсивностью света и уровнями питательных веществ. [71]
Вокруг внешней части клеточной мембраны находится клеточная стенка . Бактериальные клеточные стенки состоят из пептидогликана (также называемого муреином), который состоит из полисахаридных цепей, сшитых пептидами, содержащими D- аминокислоты . [72] Бактериальные клеточные стенки отличаются от клеточных стенок растений и грибов , которые состоят из целлюлозы и хитина соответственно. [73] Клеточная стенка бактерий также отличается от клеточной стенки ахей, которая не содержит пептидогликана. Клеточная стенка необходима для выживания многих бактерий, а антибиотик пенициллин (вырабатываемый грибом Penicillium ) способен убивать бактерии, ингибируя этап синтеза пептидогликана. [73]
В целом, у бактерий есть два разных типа клеточной стенки, которые классифицируют бактерии на грамположительные и грамотрицательные . Названия происходят от реакции клеток на окрашивание по Граму , давний тест для классификации видов бактерий. [74]
Грамположительные бактерии обладают толстой клеточной стенкой, содержащей много слоев пептидогликана и тейхоевых кислот . Напротив, грамотрицательные бактерии имеют относительно тонкую клеточную стенку, состоящую из нескольких слоев пептидогликана, окруженную второй липидной мембраной , содержащей липополисахариды и липопротеины . Большинство бактерий имеют грамотрицательную клеточную стенку, и только члены группы Bacillota и actinomycetota (ранее известные как низко-G+C и высоко-G+C грамположительные бактерии соответственно) имеют альтернативную грамположительную компоновку. [75] Эти различия в структуре могут вызывать различия в восприимчивости к антибиотикам; например, ванкомицин может убивать только грамположительные бактерии и неэффективен против грамотрицательных патогенов , таких как Haemophilus influenzae или Pseudomonas aeruginosa . [76] Некоторые бактерии имеют структуры клеточной стенки, которые не являются ни классически грамположительными, ни грамотрицательными. Сюда входят клинически важные бактерии, такие как микобактерии , которые имеют толстую клеточную стенку из пептидогликана, как у грамположительных бактерий, но также и второй внешний слой липидов. [77]
У многих бактерий S-слой жестко упорядоченных белковых молекул покрывает внешнюю часть клетки. [78] Этот слой обеспечивает химическую и физическую защиту поверхности клетки и может действовать как макромолекулярный диффузионный барьер . S-слои выполняют разнообразные функции и, как известно, действуют как факторы вирулентности у видов Campylobacter и содержат поверхностные ферменты у Bacillus stearothermophilus . [79] [80]
Жгутики — это жесткие белковые структуры диаметром около 20 нанометров и длиной до 20 микрометров, которые используются для подвижности . Жгутики приводятся в движение энергией, высвобождаемой при переносе ионов по электрохимическому градиенту через клеточную мембрану. [81]
Фимбрии (иногда называемые « пили прикрепления ») — это тонкие нити белка, обычно диаметром 2–10 нанометров и длиной до нескольких микрометров. Они распределены по поверхности клетки и напоминают тонкие волоски, если смотреть под электронным микроскопом . [82] Считается, что фимбрии участвуют в прикреплении к твердым поверхностям или к другим клеткам и необходимы для вирулентности некоторых бактериальных патогенов. [83] Пили ( ед. ч . pilus) — это клеточные отростки, немного больше фимбрий, которые могут переносить генетический материал между бактериальными клетками в процессе, называемом конъюгацией , где они называются конъюгационными пилями или половыми пилями (см. бактериальную генетику ниже). [ 84] Они также могут генерировать движение, где они называются пилями типа IV . [85]
Гликокаликс вырабатывается многими бактериями, чтобы окружить свои клетки, [86] и различается по структурной сложности: от неорганизованного слоя слизи внеклеточных полимерных веществ до высокоструктурированной капсулы . Эти структуры могут защищать клетки от поглощения эукариотическими клетками, такими как макрофаги (часть иммунной системы человека ). [87] Они также могут действовать как антигены и участвовать в распознавании клеток, а также способствовать прикреплению к поверхностям и образованию биопленок. [88]
Сборка этих внеклеточных структур зависит от бактериальных систем секреции . Они переносят белки из цитоплазмы в периплазму или в окружающую среду вокруг клетки. Известно много типов систем секреции, и эти структуры часто необходимы для вирулентности патогенов , поэтому их интенсивно изучают. [88]
Некоторые роды грамположительных бактерий, такие как Bacillus , Clostridium , Sporohalobacter , Anaerobacter и Heliobacterium , могут образовывать высокоустойчивые, спящие структуры, называемые эндоспорами . [90] Эндоспоры развиваются в цитоплазме клетки; как правило, в каждой клетке развивается одна эндоспора. [91] Каждая эндоспора содержит ядро из ДНК и рибосом, окруженное слоем кортекса и защищенное многослойной жесткой оболочкой, состоящей из пептидогликана и различных белков. [91]
Эндоспоры не проявляют заметного метаболизма и могут выдерживать экстремальные физические и химические нагрузки, такие как высокие уровни ультрафиолетового света , гамма-излучения , моющих средств , дезинфицирующих средств , тепла, замораживания, давления и высыхания . [92] В этом состоянии покоя эти организмы могут оставаться жизнеспособными в течение миллионов лет. [93] [94] [95] Эндоспоры даже позволяют бактериям выживать под воздействием вакуума и радиации открытого космоса , что приводит к возможности того, что бактерии могут распространяться по всей Вселенной посредством космической пыли , метеороидов , астероидов , комет , планетоидов или направленной панспермии . [96] [97]
Бактерии, образующие эндоспоры, могут вызывать заболевания; например, сибирской язвой можно заразиться при вдыхании эндоспор Bacillus anthracis , а загрязнение глубоких колотых ран эндоспорами Clostridium tetani вызывает столбняк , который, как и ботулизм , вызывается токсином, выделяемым бактериями, которые растут из спор. [98] Инфекция Clostridioides difficile , распространенная проблема в медицинских учреждениях, вызывается спорообразующими бактериями. [99]
Бактерии демонстрируют чрезвычайно большое разнообразие типов метаболизма . [100] Распределение метаболических признаков внутри группы бактерий традиционно использовалось для определения их таксономии , но эти признаки часто не соответствуют современным генетическим классификациям. [101] Бактериальный метаболизм классифицируется по группам питания на основе трех основных критериев: источник энергии , используемые доноры электронов и источник углерода, используемый для роста. [102]
Фототрофные бактерии получают энергию из света с помощью фотосинтеза , в то время как хемотрофные бактерии расщепляют химические соединения посредством окисления , [103] управляя метаболизмом путем передачи электронов от данного донора электронов к конечному акцептору электронов в окислительно-восстановительной реакции . Хемотрофы далее делятся по типам соединений, которые они используют для передачи электронов. Бактерии, которые получают электроны из неорганических соединений, таких как водород, оксид углерода или аммиак , называются литотрофами , в то время как те, которые используют органические соединения, называются органотрофами . [103] Тем не менее, более конкретно, аэробные организмы используют кислород в качестве конечного акцептора электронов, в то время как анаэробные организмы используют другие соединения, такие как нитрат , сульфат или диоксид углерода. [103]
Многие бактерии, называемые гетеротрофами , получают свой углерод из другого органического углерода . Другие, такие как цианобактерии и некоторые пурпурные бактерии , являются автотрофными , то есть они получают клеточный углерод, фиксируя углекислый газ . [104] В необычных обстоятельствах газ метан может использоваться метанотрофными бактериями как источник электронов и субстрат для углеродного анаболизма . [105]
Тип питания | Источник энергии | Источник углерода | Примеры |
---|---|---|---|
Фототрофы | Солнечный свет | Органические соединения (фотогетеротрофы) или фиксация углерода (фотоавтотрофы) | Цианобактерии , зеленые серные бактерии , Chloroflexota или пурпурные бактерии |
Литотрофы | Неорганические соединения | Органические соединения (литогетеротрофы) или фиксация углерода (литоавтотрофы) | Thermodesulfobacteriota , Hydrogenophilaceae или Nitrospirota |
Органотрофы | Органические соединения | Органические соединения (хемогетеротрофы) или фиксация углерода (хемоавтотрофы) | Бациллы , клостридии или энтеробактерии |
Во многих отношениях бактериальный метаболизм обеспечивает черты, которые полезны для экологической стабильности и для человеческого общества. Например, диазотрофы обладают способностью фиксировать азотный газ с помощью фермента нитрогеназы . [106] Эта черта, которая может быть обнаружена у бактерий большинства метаболических типов, перечисленных выше, [107] приводит к экологически важным процессам денитрификации , сульфатредукции и ацетогенеза соответственно. [108] Бактериальные метаболические процессы являются важными движущими силами в биологических реакциях на загрязнение ; например, сульфатредуцирующие бактерии в значительной степени ответственны за производство высокотоксичных форм ртути ( метил- и диметилртуть ) в окружающей среде. [109] Недыхательные анаэробы используют брожение для получения энергии и восстановительной силы, выделяя побочные продукты метаболизма (например, этанол в пивоварении) в качестве отходов. Факультативные анаэробы могут переключаться между брожением и различными конечными акцепторами электронов в зависимости от условий окружающей среды, в которых они находятся. [110]
В отличие от многоклеточных организмов, увеличение размера клетки ( рост клетки ) и размножение путем деления клетки тесно связаны в одноклеточных организмах. Бактерии растут до фиксированного размера, а затем размножаются посредством бинарного деления , формы бесполого размножения . [112] В оптимальных условиях бактерии могут расти и делиться чрезвычайно быстро, а некоторые популяции бактерий могут удваиваться каждые 17 минут. [113] При делении клетки образуются две идентичные клонированные дочерние клетки. Некоторые бактерии, все еще размножаясь бесполым путем, образуют более сложные репродуктивные структуры, которые помогают рассеивать вновь образованные дочерние клетки. Примерами являются образование плодового тела миксобактериями и образование воздушных гиф видами Streptomyces или почкование. Почкование включает в себя формирование клеткой выступа, который отрывается и производит дочернюю клетку. [114]
В лаборатории бактерии обычно выращивают с использованием твердых или жидких сред. [115] Твердые среды для выращивания , такие как агаровые пластины , используются для выделения чистых культур бактериального штамма. Однако жидкие среды для выращивания используются, когда требуется измерение роста или больших объемов клеток. Рост в перемешиваемых жидких средах происходит в виде равномерной клеточной суспензии, что позволяет легко разделять и переносить культуры, хотя выделение отдельных бактерий из жидких сред затруднено. Использование селективных сред (сред с добавлением или недостатком определенных питательных веществ или с добавлением антибиотиков) может помочь идентифицировать определенные организмы. [116]
Большинство лабораторных методов выращивания бактерий используют высокие уровни питательных веществ для дешевого и быстрого производства большого количества клеток. [115] Однако в естественных условиях количество питательных веществ ограничено, что означает, что бактерии не могут продолжать размножаться бесконечно. Это ограничение питательных веществ привело к эволюции различных стратегий роста (см. теорию отбора r/K ). Некоторые организмы могут расти чрезвычайно быстро, когда питательные вещества становятся доступными, например, образование водорослевых и цианобактериальных цветений, которые часто происходят в озерах летом. [117] Другие организмы имеют адаптации к суровым условиям, например, выработка множественных антибиотиков Streptomyces, которые подавляют рост конкурирующих микроорганизмов. [118] В природе многие организмы живут в сообществах (например, биопленках ), которые могут обеспечивать повышенное снабжение питательными веществами и защиту от экологических стрессов. [52] Эти отношения могут быть необходимы для роста определенного организма или группы организмов ( синтрофия ). [119]
Бактериальный рост проходит четыре фазы. Когда популяция бактерий впервые попадает в среду с высоким содержанием питательных веществ, которая позволяет рост, клеткам необходимо адаптироваться к новой среде. Первая фаза роста — это лаг-фаза , период медленного роста, когда клетки адаптируются к среде с высоким содержанием питательных веществ и готовятся к быстрому росту. Лаг-фаза имеет высокие скорости биосинтеза, поскольку вырабатываются белки, необходимые для быстрого роста. [120] [121] Вторая фаза роста — это логарифмическая фаза , также известная как экспоненциальная фаза. Лог-фаза характеризуется быстрым экспоненциальным ростом . Скорость, с которой клетки растут во время этой фазы, известна как скорость роста ( k ), а время, необходимое клеткам для удвоения, известно как время генерации ( g ). Во время лог-фазы питательные вещества метаболизируются с максимальной скоростью, пока одно из питательных веществ не истощится и не начнет ограничивать рост. Третья фаза роста — стационарная фаза , вызванная истощением питательных веществ. Клетки снижают свою метаболическую активность и потребляют несущественные клеточные белки. Стационарная фаза представляет собой переход от быстрого роста к состоянию реакции на стресс, при этом наблюдается повышенная экспрессия генов, участвующих в восстановлении ДНК , метаболизме антиоксидантов и транспорте питательных веществ . [122] Заключительная фаза — это фаза смерти , когда бактерии истощаются и погибают. [123]
Большинство бактерий имеют одну кольцевую хромосому , размер которой может варьироваться от всего лишь 160 000 пар оснований у эндосимбиотических бактерий Carsonella ruddii [125] до 12 200 000 пар оснований (12,2 Мбн) у почвенных бактерий Sorangium cellulosum [126] . Из этого правила есть много исключений; например, некоторые виды Streptomyces и Borrelia содержат одну линейную хромосому [127] [128], в то время как некоторые виды Vibrio содержат более одной хромосомы [129] . Некоторые бактерии содержат плазмиды , небольшие внехромосомные молекулы ДНК, которые могут содержать гены для различных полезных функций, таких как устойчивость к антибиотикам , метаболические возможности или различные факторы вирулентности [130] .
Геномы бактерий обычно кодируют от нескольких сотен до нескольких тысяч генов. Гены в бактериальных геномах обычно представляют собой один непрерывный участок ДНК. Хотя у бактерий существует несколько различных типов интронов , они встречаются гораздо реже, чем у эукариот. [131]
Бактерии, как бесполые организмы, наследуют идентичную копию генома родителя и являются клонированными . Однако все бактерии могут эволюционировать путем отбора изменений в их генетическом материале ДНК, вызванных генетической рекомбинацией или мутациями . Мутации возникают из-за ошибок, допущенных во время репликации ДНК, или из-за воздействия мутагенов . Скорость мутаций сильно различается среди разных видов бактерий и даже среди разных клонов одного вида бактерий. [132] Генетические изменения в бактериальных геномах возникают либо из-за случайной мутации во время репликации, либо из-за «стресс-направленной мутации», когда гены, участвующие в определенном процессе ограничения роста, имеют повышенную скорость мутаций. [133]
Некоторые бактерии переносят генетический материал между клетками. Это может происходить тремя основными способами. Во-первых, бактерии могут поглощать экзогенную ДНК из окружающей среды в процессе, называемом трансформацией . [134] Многие бактерии могут естественным образом поглощать ДНК из окружающей среды, в то время как другие должны быть химически изменены, чтобы заставить их поглощать ДНК. [135] Развитие компетентности в природе обычно связано со стрессовыми условиями окружающей среды и, по-видимому, является адаптацией для облегчения восстановления повреждений ДНК в клетках-реципиентах. [136] Во-вторых, бактериофаги могут интегрироваться в бактериальную хромосому, вводя чужеродную ДНК в процессе, известном как трансдукция . Существует много типов бактериофагов; некоторые заражают и лизируют свои бактерии- хозяева , в то время как другие встраиваются в бактериальную хромосому. [137] Бактерии противостоят фаговой инфекции с помощью систем модификации рестрикции , которые разрушают чужеродную ДНК [138] и системы, которая использует последовательности CRISPR для сохранения фрагментов геномов фагов, с которыми бактерии контактировали в прошлом, что позволяет им блокировать репликацию вируса с помощью формы РНК-интерференции . [139] [140] В-третьих, бактерии могут передавать генетический материал через прямой контакт клеток посредством конъюгации . [141]
В обычных обстоятельствах трансдукция, конъюгация и трансформация подразумевают перенос ДНК между отдельными бактериями одного вида, но иногда перенос может происходить между особями разных видов бактерий, и это может иметь значительные последствия, такие как передача устойчивости к антибиотикам. [142] [143] В таких случаях приобретение генов от других бактерий или окружающей среды называется горизонтальным переносом генов и может быть обычным явлением в естественных условиях. [144]
Многие бактерии подвижны (способны двигаться самостоятельно) и делают это с помощью различных механизмов. Наиболее изученными из них являются жгутики , длинные нити, которые вращаются двигателем у основания, чтобы производить движение, подобное пропеллеру. [145] Бактериальный жгутик состоит примерно из 20 белков, и еще около 30 белков требуются для его регуляции и сборки. [145] Жгутик представляет собой вращающуюся структуру, приводимую в движение обратимым двигателем у основания, который использует электрохимический градиент через мембрану для получения энергии. [146]
Бактерии могут использовать жгутики разными способами для создания различных видов движения. Многие бактерии (например, E. coli ) имеют два различных способа движения: движение вперед (плавание) и кувырок. Кувырок позволяет им переориентироваться и делает их движение трехмерным случайным блужданием . [147] Виды бактерий различаются по количеству и расположению жгутиков на своей поверхности; некоторые имеют один жгутик ( монотрихи ), жгутик на каждом конце ( амфитрихи ), скопления жгутиков на полюсах клетки ( лофотрихи ), в то время как другие имеют жгутики, распределенные по всей поверхности клетки ( перитрихи ). Жгутики группы бактерий, спирохет , находятся между двумя мембранами в периплазматическом пространстве. Они имеют характерное спиральное тело, которое закручивается при движении. [145]
Два других типа бактериального движения называются подергивающейся подвижностью , которая опирается на структуру, называемую пилусом типа IV , [148] и скользящей подвижностью , которая использует другие механизмы. При подергивающейся подвижности палочковидный пилус вытягивается из клетки, связывает некоторый субстрат, а затем втягивается, тянув клетку вперед. [149]
Подвижные бактерии привлекаются или отталкиваются определенными стимулами в поведении, называемом налогами : к ним относятся хемотаксис , фототаксис , энергетический таксис и магнитотаксис . [150] [151] [152] В одной специфической группе, миксобактериях, отдельные бактерии движутся вместе, образуя волны клеток, которые затем дифференцируются, образуя плодовые тела, содержащие споры. [47] Миксобактерии движутся только на твердых поверхностях, в отличие от E. coli , которая подвижна в жидкой или твердой среде. [153]
Несколько видов Listeria и Shigella перемещаются внутри клеток хозяина, узурпируя цитоскелет , который обычно используется для перемещения органелл внутри клетки. Способствуя полимеризации актина на одном полюсе своих клеток, они могут образовывать своего рода хвост, который проталкивает их через цитоплазму клетки хозяина. [154]
У некоторых бактерий есть химические системы, которые генерируют свет. Эта биолюминесценция часто встречается у бактерий, которые живут в ассоциации с рыбой, и свет, вероятно, служит для привлечения рыбы или других крупных животных. [155]
Бактерии часто функционируют как многоклеточные агрегаты, известные как биопленки , обмениваясь различными молекулярными сигналами для межклеточной коммуникации и участвуя в скоординированном многоклеточном поведении. [156] [157]
Общие выгоды многоклеточного сотрудничества включают клеточное разделение труда , доступ к ресурсам, которые не могут эффективно использоваться отдельными клетками, коллективную защиту от антагонистов и оптимизацию выживания популяции путем дифференциации в различные типы клеток. [156] Например, бактерии в биопленках могут иметь более чем в пятьсот раз большую устойчивость к антибактериальным агентам, чем отдельные «планктонные» бактерии того же вида. [157]
Один из типов межклеточной коммуникации посредством молекулярного сигнала называется кворумным чувством , которое служит для определения того, достаточна ли плотность локальной популяции для поддержки инвестиций в процессы, которые успешны только в том случае, если большое количество схожих организмов ведут себя схожим образом, например, выделяют пищеварительные ферменты или испускают свет. [158] [159] Кворумное чувство позволяет бактериям координировать экспрессию генов и производить, высвобождать и обнаруживать аутоиндукторы или феромоны , которые накапливаются с ростом популяции клеток. [160]
Классификация стремится описать разнообразие видов бактерий путем наименования и группировки организмов на основе сходства. Бактерии можно классифицировать на основе структуры клетки, клеточного метаболизма или различий в компонентах клетки, таких как ДНК , жирные кислоты , пигменты, антигены и хиноны . [116] Хотя эти схемы позволяли идентифицировать и классифицировать бактериальные штаммы, было неясно, представляют ли эти различия различия между отдельными видами или между штаммами одного и того же вида. Эта неопределенность была вызвана отсутствием отличительных структур у большинства бактерий, а также латеральным переносом генов между неродственными видами. [162] Из-за латерального переноса генов некоторые близкородственные бактерии могут иметь очень разные морфологии и метаболизмы. Чтобы преодолеть эту неопределенность, современная бактериальная классификация делает упор на молекулярную систематику , используя генетические методы, такие как определение соотношения гуанин- цитозина , гибридизация геном-геном, а также секвенирование генов, которые не подверглись обширному латеральному переносу генов, например, гена рРНК . [163] Классификация бактерий определяется публикацией в Международном журнале систематической бактериологии [164] и Руководстве Берджи по систематической бактериологии. [165] Международный комитет по систематической бактериологии (ICSB) поддерживает международные правила наименования бактерий и таксономических категорий, а также их ранжирования в Международном кодексе номенклатуры бактерий . [166]
Исторически бактерии считались частью Plantae , царства растений, и назывались «Schizomycetes» (делящиеся грибы). [167] По этой причине коллективные бактерии и другие микроорганизмы в хозяине часто называют «флорой». [168] Термин «бактерии» традиционно применялся ко всем микроскопическим одноклеточным прокариотам. Однако молекулярная систематика показала, что прокариотическая жизнь состоит из двух отдельных доменов , первоначально называвшихся Eubacteria и Archaebacteria, но теперь называемых Bacteria и Archaea, которые независимо эволюционировали от древнего общего предка. [4] Археи и эукариоты более тесно связаны друг с другом, чем любой из них с бактериями. Эти два домена, наряду с Eukarya, являются основой трехдоменной системы , которая в настоящее время является наиболее широко используемой системой классификации в микробиологии. [169] Однако из-за относительно недавнего появления молекулярной систематики и быстрого увеличения числа доступных последовательностей генома, бактериальная классификация остается изменяющейся и расширяющейся областью. [170] [171] Например, Кавальер-Смит утверждал, что археи и эукариоты произошли от грамположительных бактерий. [172]
Идентификация бактерий в лабораторных условиях особенно актуальна в медицине , где правильное лечение определяется видом бактерий, вызывающих инфекцию. Следовательно, необходимость идентификации человеческих патогенов стала основным стимулом для разработки методов идентификации бактерий. [173]
Окрашивание по Граму , разработанное в 1884 году Гансом Христианом Грамом , характеризует бактерии на основе структурных характеристик их клеточных стенок. [174] [74] Толстые слои пептидогликана в «грамположительной» клеточной стенке окрашиваются в фиолетовый цвет, в то время как тонкая «грамотрицательная» клеточная стенка выглядит розовой. [174] Объединив морфологию и окрашивание по Граму, большинство бактерий можно классифицировать как принадлежащие к одной из четырех групп (грамположительные кокки, грамположительные бациллы, грамотрицательные кокки и грамотрицательные бациллы). Некоторые организмы лучше всего идентифицируются с помощью других красителей, чем окрашивание по Граму, в частности, микобактерии или Nocardia , которые показывают кислотоустойчивость при окрашивании по Цилю-Нильсену или подобных красителях. [175] Другие организмы, возможно, необходимо идентифицировать по их росту в специальных средах или с помощью других методов, таких как серология . [176]
Методы культивирования предназначены для стимулирования роста и идентификации определенных бактерий, ограничивая при этом рост других бактерий в образце. [177] Часто эти методы предназначены для определенных образцов; например, образец мокроты будет обработан для идентификации организмов, вызывающих пневмонию , в то время как образцы кала культивируются на селективных средах для идентификации организмов, вызывающих диарею , при этом предотвращая рост непатогенных бактерий. Образцы, которые обычно стерильны, такие как кровь , моча или спинномозговая жидкость , культивируются в условиях, предназначенных для выращивания всех возможных организмов. [116] [178] После того, как патогенный организм был выделен, его можно дополнительно охарактеризовать по его морфологии, моделям роста (например, аэробный или анаэробный рост), моделям гемолиза и окрашиванию. [179]
Как и в случае с бактериальной классификацией, идентификация бактерий все чаще осуществляется с использованием молекулярных методов [180] и масс-спектроскопии . [181] Большинство бактерий не были охарактеризованы, и существует множество видов, которые невозможно вырастить в лаборатории. [182] Диагностика с использованием инструментов на основе ДНК, таких как полимеразная цепная реакция , становится все более популярной из-за их специфичности и скорости по сравнению с методами, основанными на культурах. [183] Эти методы также позволяют обнаруживать и идентифицировать « жизнеспособные, но некультивируемые » клетки, которые метаболически активны, но не делятся. [184] Однако даже при использовании этих улучшенных методов общее количество видов бактерий неизвестно и даже не может быть оценено с какой-либо определенностью. Согласно современной классификации, существует чуть менее 9300 известных видов прокариот, включая бактерии и археи; [185] но попытки оценить истинное количество видов бактерий варьировались от 10 7 до 10 9 — и даже эти разнообразные оценки могут быть неверными на много порядков. [186] [187]
Следующие типы были опубликованы в соответствии с Бактериологическим кодексом : [188]
Несмотря на кажущуюся простоту, бактерии могут образовывать сложные ассоциации с другими организмами. Эти симбиотические ассоциации можно разделить на паразитизм , мутуализм и комменсализм . [190]
Слово « комменсализм » происходит от слова «комменсал», что означает «прием пищи за одним столом» [191] , и все растения и животные заселены комменсальными бактериями. У людей и других животных миллионы из них живут на коже, дыхательных путях, кишечнике и других отверстиях. [192] [193] Называемые «нормальной флорой» [194] или «комменсалами» [195], эти бактерии обычно не причиняют вреда, но иногда могут проникать в другие части тела и вызывать инфекции. Escherichia coli является комменсалом в кишечнике человека, но может вызывать инфекции мочевыводящих путей. [196] Аналогичным образом, стрептококки, которые являются частью нормальной флоры человеческого рта, могут вызывать заболевания сердца . [197]
Некоторые виды бактерий убивают, а затем потребляют другие микроорганизмы; эти виды называются хищными бактериями . [198] К ним относятся такие организмы, как Myxococcus xanthus , который образует рои клеток , убивающих и переваривающих любые бактерии, с которыми они сталкиваются. [199] Другие бактериальные хищники либо прикрепляются к своей добыче, чтобы переварить ее и поглотить питательные вещества, либо вторгаются в другую клетку и размножаются внутри цитозоля. [200] Считается, что эти хищные бактерии произошли от сапрофагов , которые потребляли мертвые микроорганизмы, посредством адаптаций, которые позволили им захватывать и убивать другие организмы. [201]
Некоторые бактерии образуют тесные пространственные ассоциации, которые необходимы для их выживания. Одна из таких мутуалистических ассоциаций, называемая межвидовым переносом водорода, происходит между кластерами анаэробных бактерий , которые потребляют органические кислоты , такие как масляная кислота или пропионовая кислота , и производят водород , и метаногенными археями, которые потребляют водород. [202] Бактерии в этой ассоциации не способны потреблять органические кислоты, поскольку эта реакция производит водород, который накапливается в их окружении. Только тесная ассоциация с потребляющими водород археями поддерживает концентрацию водорода достаточно низкой, чтобы позволить бактериям расти. [203]
В почве микроорганизмы, которые находятся в ризосфере (зона, которая включает поверхность корня и почву, которая прилипает к корню после легкого встряхивания), осуществляют фиксацию азота , преобразуя газообразный азот в азотистые соединения. [204] Это служит для обеспечения легко усваиваемой формы азота для многих растений, которые не могут фиксировать азот самостоятельно. Многие другие бактерии обнаружены как симбионты у людей и других организмов. Например, присутствие более 1000 видов бактерий в нормальной флоре кишечника человека может способствовать иммунитету кишечника, синтезировать витамины , такие как фолиевая кислота , витамин К и биотин , преобразовывать сахара в молочную кислоту (см. Lactobacillus ), а также ферментировать сложные неперевариваемые углеводы . [205] [206] [207] Наличие этой кишечной флоры также подавляет рост потенциально патогенных бактерий (обычно путем конкурентного исключения ), и эти полезные бактерии, следовательно, продаются как пробиотические пищевые добавки . [208]
Почти вся животная жизнь зависит от бактерий для выживания, поскольку только бактерии и некоторые археи обладают генами и ферментами, необходимыми для синтеза витамина B 12 , также известного как кобаламин , и обеспечивают его через пищевую цепь. Витамин B 12 является водорастворимым витамином , который участвует в метаболизме каждой клетки человеческого тела. Он является кофактором в синтезе ДНК и в метаболизме жирных кислот и аминокислот . Он особенно важен для нормального функционирования нервной системы благодаря своей роли в синтезе миелина . [209]
Тело постоянно подвергается воздействию многих видов бактерий, включая полезных комменсалов, которые растут на коже и слизистых оболочках , и сапрофитов , которые растут в основном в почве и в разлагающихся веществах. Кровь и тканевые жидкости содержат питательные вещества, достаточные для поддержания роста многих бактерий. У тела есть защитные механизмы, которые позволяют ему противостоять микробному вторжению в его ткани и дают ему естественный иммунитет или врожденную устойчивость против многих микроорганизмов . [210] В отличие от некоторых вирусов , бактерии развиваются относительно медленно, поэтому многие бактериальные заболевания встречаются и у других животных. [211]
Если бактерии образуют паразитическую связь с другими организмами, они классифицируются как патогены. [212] Патогенные бактерии являются основной причиной смерти и болезней человека и вызывают такие инфекции, как столбняк (вызываемый Clostridium tetani ), брюшной тиф , дифтерия , сифилис , холера , пищевые заболевания , проказа (вызываемая Mycobacterium leprae ) и туберкулез (вызываемый Mycobacterium tuberculosis ). [213] Патогенная причина известного медицинского заболевания может быть обнаружена только много лет спустя, как это было в случае с Helicobacter pylori и язвенной болезнью . [214] Бактериальные заболевания также важны в сельском хозяйстве , а бактерии вызывают пятнистость листьев , бактериальный ожог и увядание у растений, а также болезнь Джона , мастит , сальмонеллез и сибирскую язву у сельскохозяйственных животных. [215]
Каждый вид патогена имеет характерный спектр взаимодействий с его человеческими хозяевами . Некоторые организмы, такие как Staphylococcus или Streptococcus , могут вызывать кожные инфекции, пневмонию , менингит и сепсис , системную воспалительную реакцию, вызывающую шок , массивную вазодилатацию и смерть. [216] Тем не менее, эти организмы также являются частью нормальной человеческой флоры и обычно существуют на коже или в носу, не вызывая никаких заболеваний вообще. Другие организмы неизменно вызывают заболевания у людей, такие как Rickettsia , которые являются облигатными внутриклеточными паразитами, способными расти и размножаться только внутри клеток других организмов. Один вид Rickettsia вызывает тиф , в то время как другой вызывает пятнистую лихорадку Скалистых гор . Chlamydia , другой тип облигатных внутриклеточных паразитов, содержит виды, которые могут вызывать пневмонию или инфекцию мочевыводящих путей и могут быть связаны с ишемической болезнью сердца . [217] Некоторые виды, такие как Pseudomonas aeruginosa , Burkholderia cenocepacia и Mycobacterium avium , являются условно-патогенными микроорганизмами и вызывают заболевания в основном у людей с ослабленным иммунитетом или страдающих муковисцидозом . [218] [219] Некоторые бактерии вырабатывают токсины , которые вызывают заболевания. [220] Это эндотоксины , которые поступают из разрушенных бактериальных клеток, и экзотоксины , которые вырабатываются бактериями и выбрасываются в окружающую среду. [221] Например, бактерия Clostridium botulinum вырабатывает мощный экзотоксин, вызывающий паралич дыхания, а сальмонеллы вырабатывают эндотоксин, вызывающий гастроэнтерит. [221] Некоторые экзотоксины можно преобразовать в анатоксины , которые используются в качестве вакцин для профилактики заболевания. [222]
Бактериальные инфекции можно лечить антибиотиками , которые классифицируются как бактерицидные , если они убивают бактерии, или бактериостатические , если они просто предотвращают рост бактерий. Существует много типов антибиотиков, и каждый класс подавляет процесс, который отличается у патогена от процесса, обнаруженного у хозяина. Примером того, как антибиотики вызывают избирательную токсичность, являются хлорамфеникол и пуромицин , которые подавляют бактериальную рибосому , но не структурно отличную эукариотическую рибосому. [223] Антибиотики используются как при лечении заболеваний человека, так и в интенсивном сельском хозяйстве для стимулирования роста животных, где они могут способствовать быстрому развитию устойчивости к антибиотикам в популяциях бактерий. [224] Инфекции можно предотвратить с помощью антисептических мер, таких как стерилизация кожи перед прокалыванием ее иглой шприца и правильный уход за постоянными катетерами. Хирургические и стоматологические инструменты также стерилизуются для предотвращения заражения бактериями. Дезинфицирующие средства, такие как отбеливатель, используются для уничтожения бактерий и других патогенов на поверхностях, чтобы предотвратить загрязнение и еще больше снизить риск заражения. [225]
Бактерии, часто молочнокислые бактерии , такие как виды Lactobacillus и Lactococcus , в сочетании с дрожжами и плесенью , использовались на протяжении тысяч лет для приготовления ферментированных продуктов, таких как сыр , соленья , соевый соус , квашеная капуста , уксус , вино и йогурт . [226] [227]
Способность бактерий разлагать различные органические соединения замечательна и использовалась при переработке отходов и биоремедиации . Бактерии, способные переваривать углеводороды в нефти, часто используются для очистки нефтяных разливов . [228] Удобрения были добавлены на некоторые пляжи в заливе Принс-Уильям в попытке стимулировать рост этих естественных бактерий после разлива нефти Exxon Valdez в 1989 году . Эти усилия были эффективны на пляжах, которые не были слишком густо покрыты нефтью. Бактерии также используются для биоремедиации промышленных токсичных отходов . [229] В химической промышленности бактерии играют наиболее важную роль в производстве энантиомерно чистых химикатов для использования в качестве фармацевтических препаратов или агрохимикатов . [230]
Бактерии также могут использоваться вместо пестицидов в биологической борьбе с вредителями . Обычно это касается Bacillus thuringiensis (также называемой BT), грамположительной, почвенной бактерии. Подвиды этой бактерии используются в качестве специфичных для чешуекрылых инсектицидов под торговыми наименованиями, такими как Dipel и Thuricide. [231] Из-за своей специфичности эти пестициды считаются экологически чистыми , с небольшим или нулевым воздействием на людей, диких животных , опылителей и большинство других полезных насекомых . [232] [233]
Из-за своей способности быстро расти и относительной легкости, с которой ими можно манипулировать, бактерии являются рабочими лошадками для областей молекулярной биологии , генетики и биохимии . Создавая мутации в бактериальной ДНК и исследуя полученные фенотипы, ученые могут определить функцию генов, ферментов и метаболических путей в бактериях, а затем применить эти знания к более сложным организмам. [234] Эта цель понимания биохимии клетки достигает своего наиболее сложного выражения в синтезе огромных объемов данных о кинетике ферментов и экспрессии генов в математические модели целых организмов. Это достижимо в некоторых хорошо изученных бактериях, при этом в настоящее время производятся и тестируются модели метаболизма Escherichia coli . [235] [236] Такое понимание метаболизма и генетики бактерий позволяет использовать биотехнологию для биоинженерии бактерий для производства терапевтических белков, таких как инсулин , факторы роста или антитела . [237] [238]
Ввиду их важности для исследований в целом, образцы бактериальных штаммов изолируются и сохраняются в Центрах биологических ресурсов . Это обеспечивает доступность штамма для ученых по всему миру. [239]
Бактерии были впервые обнаружены голландским микроскопистом Антони ван Левенгуком в 1676 году, используя однолинзовый микроскоп собственной конструкции. Затем он опубликовал свои наблюдения в серии писем в Лондонское королевское общество . [240] Бактерии были самым замечательным микроскопическим открытием Левенгука. Их размер был как раз на пределе того, что могли разрешить его простые линзы, и, в один из самых поразительных перерывов в истории науки, никто больше не видел их снова в течение более столетия. [241] Его наблюдения также включали простейших, которых он назвал анималькулями , и его открытия были снова рассмотрены в свете более поздних открытий клеточной теории . [242]
Христиан Готфрид Эренберг ввел слово «бактерия» в 1828 году. [243] Фактически, его Bacterium был родом, который содержал неспорообразующие палочковидные бактерии, [244] в отличие от Bacillus , рода спорообразующих палочковидных бактерий, определенного Эренбергом в 1835 году. [245]
Луи Пастер продемонстрировал в 1859 году, что рост микроорганизмов вызывает процесс ферментации и что этот рост не является следствием спонтанного зарождения ( дрожжи и плесень , обычно ассоциируемые с ферментацией, являются не бактериями, а грибками ). Вместе со своим современником Робертом Кохом Пастер был одним из первых сторонников микробной теории болезней . [246] До них Игнац Земмельвейс и Йозеф Листер осознали важность дезинфекции рук в медицинской работе. Земмельвейс, который в 1840-х годах сформулировал свои правила мытья рук в больнице, до появления микробной теории, приписывал болезни «разложению органических веществ животных». Его идеи были отвергнуты, а его книга на эту тему осуждена медицинским сообществом. Однако после Листера врачи начали дезинфицировать руки в 1870-х годах. [247]
Роберт Кох, пионер в области медицинской микробиологии, работал над холерой , сибирской язвой и туберкулезом . В своих исследованиях туберкулеза Кох окончательно доказал микробную теорию, за что получил Нобелевскую премию в 1905 году. [248] В постулатах Коха он изложил критерии для проверки того, является ли организм причиной болезни , и эти постулаты используются и сегодня. [249]
Фердинанд Кон считается основателем бактериологии , изучающим бактерии с 1870 года. Кон был первым, кто классифицировал бактерии на основе их морфологии. [250] [251]
Хотя в девятнадцатом веке было известно, что бактерии являются причиной многих заболеваний, эффективных антибактериальных методов лечения не было. [252] В 1910 году Пауль Эрлих разработал первый антибиотик, изменив красители, которые избирательно окрашивали Treponema pallidum — спирохету , вызывающую сифилис , — на соединения, которые избирательно убивали патоген. [253] Эрлих, который был удостоен Нобелевской премии 1908 года за свою работу по иммунологии , был пионером в использовании красителей для обнаружения и идентификации бактерий, а его работа легла в основу окраски по Граму и окраски по Цилю-Нильсену . [254]
Важный шаг вперед в изучении бактерий был сделан в 1977 году, когда Карл Вёзе признал, что археи имеют отдельную линию эволюционного происхождения от бактерий. [255] Эта новая филогенетическая таксономия основывалась на секвенировании рибосомальной РНК 16S и разделила прокариот на два эволюционных домена, как часть трехдоменной системы . [4]