Czynności życiowe i zmienność genetyczna bakterii

Odżywianie się bakterii

Różnorodność bakterii i ich przewaga ewolucyjna przejawiają się w ich metabolizmie. Mikroby te są przeważnie heterotrofami, które uzyskują związki organiczne z innych organizmów. Wyróżnia się wśród nich wolnożyjące saprobionty, wykorzystujące do odżywiania martwą materię organiczną. Jest to najliczniejsza grupa bakterii, spełniająca ważną ekologicznie rolę. Do heterotrofów należą również bakterie pasożytnicze, które czerpią pokarm z innych żywych organizmów, wywołując u nich często groźne dla życia choroby, np. gruźlicę, kiłę, cholerę.

Nietypową strategię odżywiania się wypracowały bakterie symbiotyczne, które korzystają z substancji pokarmowych wytwarzanych przez inne organizmy, oddając im w zamian potrzebne im składniki. Bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium wiążą azot cząsteczkowy i przekształcają go w związki azotowe dostępne metabolicznie dla rośliny. W zamian otrzymują od niej związki organiczne oraz środowisko życia w brodawkach korzeniowych.

Niewielką grupę tworzą bakterie autotroficzne, wytwarzające związki organiczne przy udziale energii świetlnej podczas fotosyntezy (fotoautotrofy). Należą do nich sinice, u których proces fotosyntezy zachodzi z wydzielaniem tlenu (fotosynteza oksygeniczna). Organizmy te zawierają barwniki asymilacyjne: chlorofil, karotenoidy, fikoerytrynę i niebieską fikocjaninę. Z kolei purpurowe i zielone bakterie siarkowe przeprowadzają fotosyntezę bez wydzielania tlenu do atmosfery (fotosynteza anoksygeniczna).

RqLqcAG4RblDh

Na ilustracji przedstawione są w przybliżeniu mikroskopowym okrągłokształtne komórki bakterii o zielonym zabarwieniu.

R2p5kBxRl0R5Y

Na ilustracji przedstawione są w przybliżeniu mikroskopowym podłużne bakterie o zielonym zabarwieniu.

Niektóre bakterie są chemoautotrofami. Uzyskują one w procesie chemosyntezy energię z utleniania określonych substancji nieorganicznych, np. amoniaku, azotynów, siarkowodoru, siarki, wodoru lub związków żelaza, a węgiel do budowy związków organicznych pobierają głównie z dwutlenku węgla. Proces ten przeprowadzany wyłącznie przez organizmy prokariotyczne.

Oddychanie bakterii

Bakterie pozyskują energię w oddychaniu tlenowym, oddychaniu beztlenowym lub fermentacji. W oddychaniu tlenowym końcowym akceptorem elektronów jest tlen. W oddychaniu beztlenowym jego funkcję pełni inna substancja, np. azotan. Fermentacja nie wymaga zewnętrznego akceptora elektronów i dostarcza mniej energii niż oddychanie.

Bakterie tlenowe nazywane są aerobami, a beztlenowe - anaerobami. Bakterie beztlenowe mogą być bezwzględnymi lub względnymi beztlenowcami.

Rozmnażanie się bakterii

Bakterie rozmnażają się w sposób bezpłciowy: przez podział, z jednej komórki powstają dwie potomne. Proces ten zachodzi niezwykle szybko – w idealnych warunkach komórki pewnych gatunków dzielą się co 20 min. W takim tempie i przy braku przeszkód z jednej bakterii po zaledwie 6 godzinach powstałoby ponad 200 000 komórek potomnych.

Komórki potomne są zwykle bardzo podobne genetycznie do komórki macierzystej. Zmienność w populacji powstaje jednak na skutek mutacji oraz poziomego transferu genówpoziomy transfer genówpoziomego transferu genów.

Życie utajone bakterii

Bakterie mogą przetrwać w niesprzyjającym środowisku życia, zmniejszając tempo metabolizmu i przechodząc w stan anabiozyanabiozaanabiozy. Wytwarzają różne formy przetrwalnikowe, np. cysty i endospory, które umożliwiają im długotrwałe oczekiwanie na lepsze warunki bytowania.

Szacuje się, że bakterie pojawiły się na Ziemi już ok. 3500 mln lat temu. Przetrwały wiele zjawisk, katastrof, narodzin i wymierania gatunków oraz diametralnych zmian środowiska – do każdej potrafiły się dostosować.

Zmienność genetyczna bakterii

U rozmnażających się bezpłciowo bakterii możliwe są zmiany w materiale genetycznym. Zmienność ta powstaje w wyniku rekombinacji genetycznej. Polega ona na połączeniu DNA, które pochodzi z dwóch różnych źródeł. 

Wyróżnia się trzy rodzaje procesów, które wpływają na zmienność genetyczną bakterii:

Omówione procesy wpływają na zmienność genetyczną, co pozwala bakteriom nabywać nowe cechy zwiększające ich przeżywalność, np. oporność na antybiotyki.

Podsumowanie

• Odżywianie bakterii:
  - heterotroficzne (cudzożywność) - najliczniejsza grupa bakterii, pobierająca gotowe związki organiczne. Obejmuje saprobionty (rozkładają martwą materię organiczną), pasożyty (bytują kosztem żywych gospodarzy, wywołując choroby) oraz bakterie symbiotyczne (np. Rhizobium żyjące w korzeniach roślin motylkowych, dostarczające im azot w zamian za związki organiczne).
  - Fotoautotrofizm - wytwarzanie związków organicznych przy użyciu energii świetlnej. Sinice prowadzą fotosyntezę oksygeniczną (z wydzieleniem tlenu) dzięki obecności chlorofilu i tylakoidów. Bakterie purpurowe i zielone prowadzą fotosyntezę anoksygeniczną (bez wydzielenia tlenu), wykorzystując np. siarkowodór zamiast wody.
  - Chemoautotrofizm - bakterie przeprowadzające chemosyntezę (produkcja związków organicznych z wykorzystaniem energii chemicznej pochodzącej z utleniania związków nieorganicznych); proces ten jest unikalny dla organizmów prokariotycznych i odgrywa kluczową rolę w krążeniu pierwiastków w przyrodzie.

• Oddychanie bakterii:
  - tlenowe (aerobowe) - pozyskiwanie energii w obecności tlenu, który służy jako końcowy akceptor elektronów. Proces ten zachodzi w obrębie błony komórkowej.
  - oddychanie beztlenowe i fermentacja - anaeroby pozyskują energię bez udziału tlenu. Może to być fermentacja (zachodząca w cytozolu, np. mlekowa) lub oddychanie beztlenowe, gdzie akceptorem elektronów są związki nieorganiczne (np. denitryfikacja, czyli redukcja azotanów do azotu cząsteczkowego). Wyróżniamy beztlenowce bezwzględne (giną w obecności tlenu) i względne (radzą sobie w obu warunkach).

• Rozmnażanie: Większość bakterii rozmnaża się bezpłciowo przez podział komórki na dwie komórki potomne. Proces ten jest bardzo szybki, co prowadzi do błyskawicznego wzrostu liczebności populacji.

• Do procesów wpływających na zmienność genetyczną bakterii należy koniugacja, transformacja i transdukcja.
  - koniugacja - polega na jednokierunkowym transferze DNA (zazwyczaj plazmidu) z komórki dawcy do komórki biorcy poprzez mostek cytoplazmatyczny utworzony dzięki pilom. Koniugacja należy do procesów płciowych - nie prowadzi do zwiększenia liczby komórek, ale jest kluczowa dla zmienności genetycznej. Pozwala na nabywanie nowych cech, takich jak oporność na antybiotyki, co zwiększa szanse na przeżycie w zmieniającym się środowisku.
  - transformacja - polega na pobieraniu wolnego, obcego DNA bezpośrednio ze środowiska (np. po rozpadzie innej bakterii) i włączeniu go do własnego genomu.
  - transdukcja - przypadkowe przeniesienie fragmentu DNA bakteryjnego między dwiema komórkami za pośrednictwem wirusów bakteryjnych – bakteriofagów.

Ćwiczenia utrwalające

Ćwiczenie 2

REXJ9OFS4ODC6

Na ilustracji przestawione są w przybliżeniu mikroskopowym dwie owalne komórki bakterii o zielonym zabarwieniu, które stykają się jednym bokiem.

R1PAzOoXLo9PB

Uzupełnij zdanie opisujące powyżej przedstawioną grafikę. Zdecydowana większość mniejszość bakterii przechodzi złożony prosty cykl życiowy, w którym komórka rośnie, następnie pączkuje dzieli się wytwarzając dwie komórki potomne macierzyste , po czym cykl powtarza się ustaje .

Uzupełnij zdanie opisujące powyżej przedstawioną grafikę. Zdecydowana większość mniejszość bakterii przechodzi złożony prosty cykl życiowy, w którym komórka rośnie, następnie pączkuje dzieli się wytwarzając dwie komórki potomne macierzyste , po czym cykl powtarza się ustaje .