Зачем нужны бактерии

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Реферат

Зачем нужны бактерии

автор:

Шиманова Анастасия

Руководитель: Ноздрачёва А.Н.

Введение

Бактерии - микроскопические, одноклеточные формы живых организмов, прокариоты. Они настолько малы, что их не видно человеческим глазом (в среднем - 0,5 - 5 микрометров). Бактерии существуют везде - и на земле, и в воде, и в воздухе, и на испортившихся продуктах, и на наших руках, как снаружи живых существ, так и внутри. Перечислять все места обитания бактерий нет смысла - это бесконечно долго. И, конечно, все мы с ними контактируем.

У многих людей бактерии ассоциируются с болезнетворными своими собратьями, и неспроста: они способны вызвать кишечное расстройство, простуду, плохое самочувствие в целом. Но ведь нельзя забывать и о пользе бактерий: именно, пользе. Даже на примере бактерий, живущих в кишечнике: количество «хороших», поддерживающих нашу микрофлору бактерий значительно превышает количество «плохих», влияющих на нас и наше здоровье отрицательно. И кстати: бактерии, хоть и являются довольно примитивными, с другой стороны - самые развитые. Ведь одна бактерия, одна клетка делает всё то, что делает многоклеточный организм.

Также они играют немаловажную биологическую роль. Ведь бактерии являются частью биологических циклов: к примеру, они разлагают останки животных и растений, некоторые поддерживают баланс кислорода и углерода на планете.

Ну, если бактерии работают, да ещё и с пользой, было бы неплохо приручить их, скажете вы. И в таком желании нет ничего необычного: человеку свойственно заставлять кого-то работать вместо себя, даже если речь идёт о клетках. Изучив строение и функции бактерий, их возможности и просто микробов в целом, повадки, можно предвидеть, как они поведут себя в той или иной ситуации. А можно вообще использовать только методы бактерий, делая что-то по схожему алгоритму, но совсем для других целей.

И сразу вопрос: почему только бактерии? Что, клетки животных, растений, человека хуже? Неужели наш «строительный материал» настолько примитивен, что по возможностям проигрывает одноклеточным? Конечно же, нет. У нас тоже есть свои «тайные механизмы», просто бактерии примитивны - и этим легкоприспосабливаемы к меняющимся условиям окружающей среды. Как говорится, всё гениальное - просто. Конечно, это не единственное их свойство. Их я буду разбирать в этом реферате.

Биотехнология - это обобщающий термин, обозначающий технологии и науки, изучающие и использующие возможности микроорганизмов либо их отдельных качеств. Постепенно биотехнологии продвигаются всё дальше и дальше: началось всё давно, когда люди и не подозревали об существовании бактерий, но уже использовали их, к примеру, для приготовления уксуса; продолжилось в ХХ, появились антибиотики и другие лекарства, позже началась расшифровка ДНК и эксперименты по выведению животных и растений с немножко «подкорректированными» генами для получения определённых качеств. Я буду затрагивать историческую тему по мере повествования.

Что могут сделать люди, используя бактерии? Можно излечить ранее неизлечимую болезнь, а можно… В том, что именно, каких бактерий, где и как можно использовать, будет разбираться в этом реферате. Также будет изучен теоретический материал по строению и физиологии бактерий, молекулярной биотехнологии, выяснено, как человек может использовать бактерии (методы, области развития), проанализированы перспективы применения биотехнологий. Цель работы - подвести итог уже сделанных достижений по приручению бактерий и предположить будущие успехи.

Биологическая характеристика бактерий

Бактерии - это мельчайшие микроорганизмы, обладающие, однако, клеточным строением - одноклеточны, и соответственно, разглядеть их можно только под микроскопом (в связи с этим синонимами слова «бактерии» являются «микробы» и «микроорганизмы»). Изучением бактерий занимается наука бактериология.

Бактерии обитают во всех средах жизни, включая и другие живые организмы. Количество бактерий же очень высоко. В природе роль бактерий важна: мёртвые останки разлагают микробы. Или взять, к примеру, лактобактерии, они сбраживают молоко (в пищевой промышленности лактобактерии применяются для получения кефира и различных сыров). Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х т. Т.1.: Пер. с англ./Под Р. Сопера - М.: Мир, 1990. С.14

Классификация бактерий

Как и все живые организмы, бактерии имеют классификацию. Они разделяются на несколько больших групп.

Первая, самая «продвинутая» группа - эубактерии, ещё называемые настоящими бактериями. Вторая - актиномицеты: они похожи на крошечные грибы, имеют палочковидные нитчатые клетки без перегородок. Третья - хламидобактерии, палочковидные, нитчатые бактерии. Они обитают преимущественно в болотах и откладывают вокруг клеток окись железа (III). Четвёртая группа - Beggiatoa, нитчатые бактерии, образующие серу. Пятая - миксобактерии, они имеют вид палочковидных бактерий с тонкими гибкими стенками, а передвигаются путём скольжения. Шестая группа - спирохеты; длинные гибкие бактерии, закрученные в спираль, самый известный представитель - возбудитель сифилиса. Седьмая группа - микоплазмы; очень мелкие неподвижные паразиты различных форм. Восьмая, и последняя группа - риккетсии; это небольшие палочковидные паразиты, похожие на крупные вирусы. Там же. С.15

Внутреннее строение бактерий

По сравнению с остальными клетками (животными, растительными и клетками грибов (эукариотов)), бактериальные устроены, как я уже упоминала, довольно просто (однако, всё относительно: вирусы устроены ещё проще, но вирусы- то - не клетки).

Вирусы - это форма жизни (группа организмов), не имеющая клеточного строения. Основной структурой же остальных организмов является клетка. Эукариотическими клетками называют те, в которых присутствует ядро. В прокариотических клетках ядро отсутствует, и строение они имеют гораздо более примитивное: ДНК находятся прямо в цитоплазме. Прокариоты и эукариоты отличаются ещё и по ряду других признаков.

Для начала, они сильно отличаются в размерах: клетки эукариотов обычно в 1000-10000 раз больше, чем клетки прокариот (диаметр клеток прокариот составляет 0,5 - 5 мкм; диаметр клеток эукариотов обычно до 40 мкм, объём клетки примерно в 1000-10000 раз больше, чем у прокариотов). Они отличаются по форме: и те, и те могут иметь одноклеточную и нитчатую форму, но эукариоты могут быть и многоклеточными. Прокариотические клетки имеют мало органелл: нет ни одной мембранной, а рибосомы 70S . Эукариоты же имеют большее количество органелл, а рибосомы у них большие - 80S. Ещё они отличаются составом клеточной стенки: у прокариотов - муреин, у эукариотов - целлюлоза (растения) и хитин (грибы). Различаются процессы дыхания: дыхательная цепь у прокариот работает на мезосомах, а у эукариот - на внутренней мембране митохондрий. Фотосинтез проходит в хлоропластах у эукариотов и мембранах у прокариотов. А ещё некоторые прокариоты обладают способностью фиксации азота (образования соединений азота из молекулярного, к примеру, аммиака). Я буду говорить о самой большой группе прокариотов - бактериях.

Для бактерий характерно так же наличие капсулы и слизистых слоёв. Это слизистые и клейкие выделения некоторых бактерий (не всех!). Капсула представляет собой относительно толстое и компактное образование, она состоит из углеводов, иногда - белков, и обладает гидрофильностью. Капсула выполняет защитную функцию: она предохраняет бактерии от повреждений и высыхания, препятствуют фагоцитозу бактерий. Слизистый слой же намного рыхлее капсулы, в некоторых случаях он служит для формирования отдельных колоний клеток. Как и капсула, слизистый слой служит дополнительной защитой клетке. Далее, клеточная стенка. У клеток бактерий она тоже есть: придаёт ей форму и жёсткость, препятствует разрыву клеток, а так же обладает антигенными свойствами, благодаря содержащимся в ней углеводам и белкам.

Многие бактерии подвижны, что обуславливается наличием у них жгутиков, одного или нескольких. Жгутики бактерий устроены проще, чем жгутики эукариотических клеток: они состоят из белка флагеллина и представляют собой полый цилиндр. Жгутики известны тем, что, пожалуй, это единственная природная структура, которая использует метод колеса: при движении бактерии они вращаются. Важно отметить, что бактерии способны к таксису: и для этого тоже им нужна подвижность.

У некоторых бактерий есть пили, или, как их ещё называют, фимбрии. Это выросты на клеточной стенке некоторых бактерий: они короче и тоньше жгутиков, и назначение у них другое. Пили служат для прикрепления клеток друг к другу или какой-нибудь поверхности. Так же, они могут участвовать в размножении бактерий, но это уже другая тема.

У всех клеток есть мембрана, и бактериальные клетки - не исключение. Они полностью идентичны всем остальным мембранам по строению и функциям. Что интересно, так это наличие у некоторых (опять-таки, далеко не всех) бактерий мезосом. Мезосома - складчатая мембранная структура, на поверхности которой находятся ферменты, участвующие в дыхании, из чего следует, что они являются простейшими органеллами. Похоже, что их функция - облегчение разделения двух дочерних молекул ДНК после репликации. Так же мезосомы помогают создать перегородку между дочерними клетками.

Ядро у бактерий отсутствует, что даёт полное право называть их прокариотами. ДНК бактерий находится в «свободном плавании» в цитоплазме клетки. Примерное содержание ДНК в бактериальных клетках меньше, чем в эукариотических, из чего следует, что и объём информации, закодированной в ней, намного меньше: примерно в 500 раз меньше, чем в клетке человека.

Так же в некоторых бактериях есть эндоспоры - споры внутри клетки. Они устойчивы к нагреванию и кратковременному излучению. Споры помогают выжить клетке в неблагоприятных условиях, образуя множество защитных оболочек. Там же. С. 15-18

Форма бактерий

Одним из важнейших систематических признаков бактерий является форма клетки. Существует четыре основных типа. Первый - это бациллы: они вытянутые, палочковидные, могут быть как одиночными, так и образовывать цепочки клеток. Второй тип - вибрионы: короткие палочки, изогнутые виде запятой. Третий тип - спириллы. Название говорит само за себя: они спиралевидные. И, наконец, четвёртый тип - кокки. Это сферические клетки, они могут быть одиночными, образовывать цепочки (стрептококки), могут находится в одной капсуле по двое (диплококки, к примеру, возбудитель пневмонии, единственный представитель), иметь вид виноградной грозди (стафилококки, к примеру, живущие в носоглотке), могут быть сложенными по 8 и более клеток в геометрическую фигуру (сарцины). Там же. С. 18-19

Размножение бактерий

Размножение у бактерий бывает как бесполое, так и половое. С бесполым размножением всё просто: достигая определённых размеров, клетка делится пополам, образуя дочерние клетки. Интервал между делениями называется временем генерации: у самых быстрорастущих бактерий деление происходит каждые 20 минут.

Половое размножение у бактерий происходит на самом примитивном уровне. Как известно, у бактерий не происходит образования гамет и слияния клеток; иначе бы их количество только уменьшалось. Часть ДНК бактерии-донора переносится в клетку-реципиент; этот процесс называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК клетки-реципиента замещается; таким образом, появляется ДНК, содержащая признаки обоих родителей. При смешении генов наблюдается разнообразие признаков. Примерно так и происходит обмен частями ДНК. бактерия вибрион бацилла размножение

При трансформации клетки не контактируют, а вот при конъюгации - да. В отличие от трансформации и трансдукции при этом переносится значительная часть ДНК. Способность обмениваться большими частями ДНК при конъюгации определяется так называемым F-фактором, его так же называют половым фактором. Клетки соединяются между собой с помощью половых пилей. Они образуют нечто вроде «моста», по которому идёт передача информации.

Большинство бактерий имеют одну кольцевую хромосому. Также у них есть небольшие дополнительные отрезки ДНК, называемые плазмидами. Плазмиды - это небольшие кольцевые структуры, существующие независимо от основной ДНК бактерий. Обычно они не содержать больше, чем 5 % жизненно важной для бактерии информации. В них присутствуют лишь гены, отвечающие за выживание в экстремальных условиях.

При трансдукции фрагменты ДНК попадают в клетку-реципиент вместе с вирусом-бактериофагом. Некоторые вирусы встраивают свою ДНК в ДНК хозяина. Конечно, происходят многочисленные сбои; в конце концов клетка-хозяин погибает. Там же. С.19-24

Питание бактерий

Так же, в завершение, о питании бактерий. По типу питания бактерии делятся на четыре типа. Первый - фотоавтотрофные, источник их энергии - свет, к такому типу питания относятся зелёные и пурпурные несерные бактерии. Второй - хемоавтотрофные, их источник энергии - химический; к ним относятся нитрифицирующие и серные бактерии. Третий тип - фотогетеротрофные. Как и у фотоавтотрофных, источник питания - свет, но таких мало, только пурпурные несерные бактерии. Четвёртый - хемогетеротрофные; большинство бактерий; химический источник энергии. Последняя группа - самая многочисленная, поэтому о ней я скажу подробнее. Хемогетеротрофы делятся на сапрофитов, симбионтов и паразитов. Сапрофиты - это организмы, извлекающие питательные вещества из мёртвого органического материала. Они секретируют ферменты в органическое вещество, поэтому само переваривание происходит вне организма. Образовавшиеся продукты сапрофиты всасываю, усвоение происходит уже внутри организма сапрофита. Симбиозом называется тесная взаимовыгодная связь между организмами; эти организмы по отношению друг к другу называются симбионтами. В пример можно привести бактерии микрофлоры человека, которые образуют витамины В и К; а сам кишечник является их средой обитания и защитой. Паразиты живут внутри другого организма. Организм хозяина является для них как защитой, так и пищей. В отличие от симбионтов, они никакой пользы хозяину не приносят, а зачастую и наносят вред. Там же. С.24

Роль бактерий в природе

К сожалению, животные не могут переваривать целлюлозу. У них нет фермента целлюлазы, который отвечает за это; основную массу пищи животных составляет клетчатка. Чтобы усваивать её, в кишечнике у животных живут симбиотические бактерии и простейшие, переваривающие её. К примеру, у кроликов такие бактерии живут в слепой кишке, у коров - в рубце. Поскольку люди употребляют в пищу овец и коров, эти бактерии служат нам косвенным образом.

Прямое же отношение к человеку имеет микрофлора кишечника. В микрофлоре живут бактерии, синтезирующие витамины группы В и витамин К. А некоторые бактерии, живущие на коже человека, предохраняют его от заражения паразитами.

Бактерии играют важную роль в плодородии почвы, выполняя сразу несколько задач.

Первая - распад и образование гумуса. Гумусом называется слой разложившегося органического вещества, содержащий не только важные физические и химические свойства; к примеру, обладает способностью удерживать воду.

Большинство растений получают нитраты из почвы, а животные - поедая растения. Но запас нитратов не бесконечен. Сапрофитные бактерии же возвращают азот из белков в природный круговорот азота. При разложении образуются двуокись углерода, аммиак, минеральные соли (фосфаты и сульфаты) и вода; все они тоже вступают в круговорот веществ.

Второе - биохимические циклы. Бактерии участвуют в круговоротах азота, серы и фосфора, которые необходимы растениям; таким образом, это связанно с плодородием почвы.

Так же хотелось бы отметить роль бактерий-симбионтов, так как они играют важную роль в жизни животных. Многие млекопитающие не могут переваривать целлюлозу. А основную массу пищи, которую едят животные, составляет клетчатка. Но, благодаря тому, что в кишечнике у животных живут бактерии-симбионты, они переваривают клетчатку. Так же, кожный покров животных тоже служит местом обитания некоторых бактерий, предохраняющие животные от заражения. Там же. С.25

Использование бактерий

Микроорганизмы играют значительную роль для человека. Во-первых, они играют значительную роль в биосфере; во-вторых, их можно использовать в нужных целях, таких как пищевая промышленность, медицина; в общем, самыми различными способами. Всё это даёт возможность развития биотехнологии. При этом человек рассчитывает на кардинальное изменение способов получения многих обыденных вещей широкого спроса, в том числе электроэнергии и пищи. Успехами биотехнология во многом обязана генетике, так как накопление генетических знаний научило человека обращаться со многими генами как других живых организмов, так и своими.

Получая знания, человек учится их использовать - так возникал генная инженерия.

Разделить биотехнологии можно на два типа. Первый направлен на улучшение экосистемы.

Очистка сточных вод

Бактерии играют также немаловажную роль в очистке сточных вод. Как и в почве, при очистке сточных вод они расщепляют органические вещества на безвредные соединения. Сточные воды предварительно разделяют в специальных отстойниках на жидкую составляющую и ил. Затем перерабатывают, используя аэробные и анаэробные бактерии. В ходе работы анаэробных бактерий образуется метан; его используют для механизмов очистных сооружений. После очистки воду спускают в реки; ил же, состоящий из безвредных органических и неорганических веществ и микроорганизмов, высушивают и используют как удобрение. Там же.

Второй тип - биотехнологии, направленные на улучшение качества жизни человека, в том числе косвенно.

Промышленные процессы брожения

Многие бытовые продукты получаются в процессе брожения (такие как бутанол, уксус, силос). Человек пользуется технологией брожения уже несколько тысяч лет: мы издавна приготавливаем сыр, сбраживая лактозу до молочной кислоты, отделяя твёрдые сгустки от жидкой субстанции; для получения различных сортов используем микроскопические грибы и опять же бактерии. Молочнокислые бактерии придают сливочному маслу характерный вкус и аромат; некоторые их них применяются для квашения капусты. Там же. С. 26

Антибиотики

В 30-х годах прошлого века учёные начали заниматься исследованием антибиотических свойств различных микроорганизмов: грибков, бактерий. Антибиотическими свойствами называется способность уничтожать другие микроорганизмы, либо же приостанавливать их рост. Исследования, конечно же, продолжаются и по сей день, ведь совершаются новые открытия. Самые известные антибиотики из себе подобных (я имею ввиду, выделяемые бактериями) выделяются бактериями-актиномицетами. Актиномицетами называют бактерии, способные на разных стадиях своего развития образовывать мицелий.

Антибиотики применяются не только в медицине: они могут использоваться ветеринарами и агрономами, так же - в промышленных либо сугубо научных целях. Там же.

Сельское хозяйство: фитаза

Одним из необходимых живым существам элементов является фосфор: он нужен животным и растениям как строительный материал ДНК и как «горючее» для клеток. Но массовое производство и использование фосфорных удобрений приводит к попаданию избыточного количества фосфатов в корм животных, что, в свою очередь, создаёт критическую нагрузку на окружающую среду. В водоёмах они способны вызвать сольное «цветение»: водоросли начинают массово погибать, а для их разложения затрачивается много кислорода из воды. В результате гибнут все обитатели водоёма, кроме анаэробных бактерий, которые, в свою очередь, выделяют ядовитый аммиак.

Постепенно люди начали задумываться, как изменить ситуацию. И выход был найден.

У нежвачных животных большая часть фосфатов выделяется из организма неиспользованной. Желудок нежвачных - людей в том числе - неспособен расщеплять накопитель фосфора в семенах растений - фитат-молекулу. У жвачных же животных есть специальные бактерии, выделяющие фермент фитазу. Фитаза отделяет фосфатные группы от фитата и делает их пригодными к использованию.

На основе этого появилась идея добавлять фитазу в корм животным. И результат был неплохим: содержание фосфата в продуктах жизнедеятельности животных снизилось на 25-30%. И при этом, производители мяса так же понизили загрязнение окружающей среды и сумели сэкономить на корме, ведь он стал стоить меньше. Райнхард Ренненберг. Кошкин клон, кошкин клон… … и другие биотехнологические истории. Москва: Техносфера, 2009. С.60-62

Уничтожение отходов

Ежегодно в мировой океан выливаются тонны нефти, неся смерть тысячам живых существ: птицам, рыбам, водорослям. Регулярно после переработки нефти отходы сливаются в почву, где вредные вещества опять же разрушают экосистему. Обе этих проблемы могут быть решены с помощью «нефтеедов» Мохана Чакрабарти. Этот учёный вывел первых искусственно созданных живых существ, на которые в США был выдан патент. Его «дрессированные» бактерии могли уничтожать один из гербицидов - дефолиант, а позже вывел пожирающих нефть бактерий, взяв кольцевые ДНК бактерий, отвечающих за октан, камфору, усилол и нафталин, и впрыснул их обратно бактериям. Получились гибриды: они способны гораздо быстрее обычных уничтожить нефтяные пятна, однако, это является и минусом: если «нефтееды» доберутся до нефтяных скважин… Это будет очень прискорбно, так как количество нефти на планете очень ограниченно, а на восстановление уйдёт несколько тысяч лет. Поэтому, для очистки окружающей среды используют других бактерий, а ещё чаще - фильтровку (ну, это касается в основном нефтяных пятен в океане). Возможно, в будущем учёные найдут способ контролировать «нефтеедов», и тогда очистка окружающей среды от нефти будет происходить быстрее. Там же. С.164-166

Получение ферментов для бытовых нужд

Все мы представляем, как может испачкаться одежда: пролили на себя какао или вино, поползали по траве, неудачно упали, просто не вытирали пыль с одежды, и она въелась… Бельевые загрязнения - это, прежде всего, пыль, копоть и органические соединения, а так же выделяемые самим человеком жиры. Ну, а стираем мы, конечно, мылом и порошком.

А на килограмм порошка, между прочим, может приходиться где-то 200-500 грамм бактерий. Они способны «съесть» всё, что угодно, разрушая различные белковые клеящие вещества до основания.

Конечно, не всё так просто: сейчас всё чаще встречаются порошки в гранулах, а зачастую так вообще жидкие. Такие меры были приняты в связи с распространённой аллергией на ферменты, содержащиеся в порошке, поэтому их стали гранулировать. Но суть остаётся одна: ферменты бактерий спасают нашу одежду от преждевременного переезда на помойку. Там же. С. 134-135

Генная инженерия

В последнее время люди получают всё больше и больше знаний о генетике, что связано с работами на микроорганизмах. Термин «генетическая инженерия» можно так же отнести к селекции, однако возник он в связи с появлением возможности производить непосредственные манипуляции с индивидуальными генами.

Одно из достижений генетической инженерии - перенос генов, кодирующих синтез инсулина у человека, в клетки бактерий. Это используется, к примеру, для лечения сахарного диабета, который вызывается как раз нехваткой инсулина. Однако, была трудность: при переносе генов возникают различия в механизмах регуляции синтеза белка у прокариот и эукариот. В настоящее время инсулин успешно синтезируется бактериями.

В ответ на вирусную инфекцию в организме человека образуется белок интерферон. Как и ген инсулина, ген интерферона смогли перенести в клетки бактерий. Возможно, вместо бактерий можно будет использовать дрожжи. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х т. Т.1.: С.27

Заключение

Как мы видим, бактерий вполне можно приручить. Основными успехами в этой области являются производство лекарств и добавок, использующих вырабатываемые бактериями ферменты, использование бактерий в быту; а так же на них чаще всего ставят опыты в генной инженерии. Используются в основном биохимические процессы бактерий - примером может служить получение инсулина. Большинство открытий были сделаны совсем недавно; с таким темпом развития биотехнологий, мы сможем избежать экологической катастрофы с помощью «нефтеедов» Чакрабарти (осталось только их приручить), улучшить условия своей жизни в общем. На данный момент существует немало неизлечимых болезней: СПИД, вирусный гепатит, может быть, с помощью бактерий смогут лечить последние стадии рака (хотя я в этом сомневаюсь).

Список литературы

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х т. Т.1.: Пер. с англ./Под Р. Сопера - М.: Мир, 1990.

Райнхард Ренненберг. Кошкин клон, кошкин клон… … и другие биотехнологические истории. Москва: Техносфера, 2009.

Размещено на Allbest.ru