Czynności życiowe 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 z rodzaju Rhizobium pobierają wytworzone przez rośliny motylkowe związki organiczne, a w zamian dostarczają im przyswajalne związki azotowe. Dlatego fasola i groch są bogate w białko, a rolnicy jako poplon – zielony nawóz – sieją rośliny motylkowe.

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. Chemosynteza polega na produkcji cukrów z udziałem energii pochodzącej z utleniania związków nieorganicznych lub metanu. Proces ten przeprowadzany wyłącznie przez organizmy prokariotyczne.

Oddychanie bakterii

W procesie oddychania komórkowego bakterie także prezentują różnorodność: bakterie tlenowe – aeroby – pozyskują energię, wykorzystując tlen jako końcowy akceptor elektronów w szlaku utleniania związków organicznych. Bakterie beztlenowe – anaeroby – czerpią energię z beztlenowego rozkładu cukrów w procesie fermentacji przeprowadzanej w cytozolu. Wzmianki o wykorzystywaniu fermentacji alkoholowej przez człowieka pochodzą już sprzed 4000 lat.

Wyróżnia się również fermentacje: masłową, mlekową i octową. Bakterie beztlenowe mogą być bezwzględnymi lub względnymi beztlenowcami.

Rozmnażanie się bakterii

Bakterie rozmnażają się w sposób bezpłciowy: przez podział prosty 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 godz. powstałoby ponad 130 000 komórek potomnych. Co więcej, wcale nie będą one identyczne genetycznie.

Życie utajone bakterii

Bakterie mogą przetrwać w niesprzyjającym środowisku życia, zmniejszając tempo metabolizmu i przechodząc w stan anabiozy. 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 wymierań gatunków oraz diametralnych zmian środowiska – do każdej potrafiły się dostosować.

Procesy płciowe bakterii

U rozmnażających się bezpłciowo bakterii możliwe są zmiany w materiale genetycznym. Wymiana materiału genetycznego zachodzi w procesach płciowych, które nie zwiększają liczby komórek potomnych, ale przyczyniają się do zmienności genetycznej bakterii.

Wyróżnia się trzy rodzaje procesów płciowych bakterii.

Koniugacja

Koniugacja

Polega na wymianie plazmidów między dwiema bakteriami. Dawca plazmidu ma na swojej powierzchni pile koniugacyjne – włosowate wypustki na powierzchni ściany komórkowej – za pomocą których łączy się z drugą komórką. Po ich połączeniu powstaje cytoplazmatyczny mostek, którym z komórki dawcy przekazywany jest biorcy zreplikowany plazmid. Dzięki temu następuje zmodyfikowanie informacji genetycznej obecnej w komórce biorcy.

R12VfvRh3RDrG

Ilustracja przedstawia schemat procesu koniugacji. Komórka dawcy zawiera luźno zawieszone w jej wnętrzu DNA chromosomalne oraz kulisty plazmid. W jej strukturze możemy również wyróżnić pilę koniugacyjną, czyli pustą w środku strukturę przypominającą kształtem słomkę. Komórka biorcy posiada w sobie wyłącznie chromosomalne DNA. Następnie dochodzi do replikacji plazmidu w komórce dawcy. Przy pomocy pili koniugacyjnej zreplikowana informacja genetyczna przekazywana jest do komórki biorcy. Po zakończeniu procesu bakterie rozłączają się. Komórka dawcy posiada te same struktury co przed rozpoczęciem procesu koniugacji, natomiast komórka biorcy posiada dodatkową informację genetyczną w postaci plazmidu przekazana mu przez komórkę dawcy.

Transformacja

Transformacja

Polega na pobieraniu obcego DNA ze środowiska, w którym występują bakterie. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwował angielski mikrobiolog Frederick Griffith. W 1928 r. przeprowadził doświadczenie, w którym wykazał, że niezjadliwe (czyli niewywołujące choroby) szczepy dwoinki zapalenia płuc (Streptococcus pneumoniae) nabywają zjadliwości w kontakcie z martwymi komórkami bakterii szczepów chorobotwórczych.

RqCvvYMaF2McI

Grafika przedstawia uproszczony schemat eksperymentu Griffitha. Na pierwszym obrazku znajduje się mysz, której wszczepiono szczep R (niezjadliwy). Mysz przeżyła. Myszy na drugim obrazku wszczepiono szczep S (zjadliwy) w efekcie czego umarła. Trzeciej na trzecim obrazku zaaplikowano zabity ciepłem szczep S. Mysz przeżyła. Natomiast myszy na trzecim obrazku wszczepiono mieszankę szczepu R wraz z zabitym ciepłem szczepem S, w wyniku czego zmarła.

Grafika przedstawia uproszczony schemat eksperymentu Griffitha. Na pierwszym obrazku znajduje się mysz, której wszczepiono szczep R (niezjadliwy). Mysz przeżyła. Myszy na drugim obrazku wszczepiono szczep S (zjadliwy) w efekcie czego umarła. Trzeciej na trzecim obrazku zaaplikowano zabity ciepłem szczep S. Mysz przeżyła. Natomiast myszy na trzecim obrazku wszczepiono mieszankę szczepu R wraz z zabitym ciepłem szczepem S, w wyniku czego zmarła.

Transdukcja

Transdukcja

Polega na przenoszeniu informacji genetycznej do komórki bakteryjnej przez wirusy – bakteriofagi łagodne. Ta forma wirusów może połączyć swój genom z genomem gospodarza. Bakteriofag zakaża komórkę bakteryjną, a materiał genetyczny wirusa i chromosom bakteryjny łączą się. Następuje produkcja elementów budujących wiriony – białek i DNA – i składanie ich w cząsteczki. Podczas składnia do kapsydu oprócz materiału genetycznego wirusa mogą trafić fragmenty DNA bakteryjnego. Wirusy zawierające bakteryjny materiał genetyczny opuszczają komórkę. Łącząc się z innymi bakteriami, mogą je infekować, wprowadzając do wnętrza fragmenty DNA poprzednio infekowanej komórki bakteryjnej.

R17YHn6DDxH4u

Grafika przedstawia schemat transdukcji na przykładce cyklu litycznego bakteriofaga. Bakteriofag zakaża komórkę. Kwasy nukleinowe, zarówno bakteryjne, jak i bakteriofagowe, zostają pocięte na mniejsze części pod wpływem enzymów wirusowych. Kompletne wiriony opuszczają komórkę bakteryjną; niektóre kapsydy mogą zawierać fragmenty bakteryjnego DNA. Bakteriofag zakaża kolejną komórkę bakteryjną. DNA z komórki bakterii (dawcy) zostało wstrzyknięte do komórki bakterii (biorcy). Przeniesione do nowej komórki geny bakteryjne mogą włączyć się do DNA i wraz z nim ulegać replikacji.

Grafika przedstawia schemat transdukcji na przykładce cyklu litycznego bakteriofaga. Bakteriofag zakaża komórkę. Kwasy nukleinowe, zarówno bakteryjne, jak i bakteriofagowe, zostają pocięte na mniejsze części pod wpływem enzymów wirusowych. Kompletne wiriony opuszczają komórkę bakteryjną; niektóre kapsydy mogą zawierać fragmenty bakteryjnego DNA. Bakteriofag zakaża kolejną komórkę bakteryjną. DNA z komórki bakterii (dawcy) zostało wstrzyknięte do komórki bakterii (biorcy). Przeniesione do nowej komórki geny bakteryjne mogą włączyć się do DNA i wraz z nim ulegać replikacji.

Procesy płciowe dają zmienność genetyczną, co pozwala bakteriom nabywać nowe cechy. Ich ujawnienie się w kolejnych pokoleniach umożliwia im przystosowanie się do zmieniających się warunków środowiska (np. rozkład antybiotyku pojawiającego się w otoczeniu bakterii). Przystosowanie do nowych parametrów otoczenia zwiększa średnią przeżywalność organizmów bakteryjnych, a co za tym idzie, przetrwanie gatunku.

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 cukry).
  - 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. mleczanowa, masłowa) 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: Bakterie rozmnażają się wyłącznie bezpłciowo przez podział prosty komórki. Proces ten jest bardzo szybki, co prowadzi do błyskawicznego wzrostu liczebności populacji.

• Procesy płciowe - nie prowadzą do zwiększenia liczby komórek, ale są kluczowe dla zmienności genetycznej. Pozwalają na nabywanie nowych cech, takich jak oporność na antybiotyki, co zwiększa szanse na przeżycie w zmieniającym się środowisku.
  - koniugacja - polega na jednokierunkowym transferze DNA (zazwyczaj plazmidu) z komórki dawcy do komórki biorcy poprzez mostek cytoplazmatyczny utworzony dzięki pilom.
  - 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

RUsPGNTxzplwd

Na ilustracji przestawione są w przybliżeniu mikroskopowym dwie owalne komórki bakterii o zielonym zabarwieniu.

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 .