Organizmy prokariotyczne - wprowadzenie i formy bakterii

Organizmy prokariotyczne (bezjądrowe) tworzą dwie domeny: bakterie i archeowce. Są one kosmopolityczne - występują dosłownie wszędzie na Ziemi. Znajdziesz je w glebie, w wodzie, a nawet wewnątrz i na powierzchni innych organizmów. Część archeowców to ekstremofili - potrafią przetrwać w warunkach, które zabiłyby inne organizmy.

Bakterie występują w różnych kształtach, co jest jednym z kryteriów ich klasyfikacji. Formy kuliste to ziarenkowce i dwoinki, które często tworzą charakterystyczne skupiska. Bakterie spiralne (krętki i śrubowce) zazwyczaj występują pojedynczo. Z kolei formy cylindryczne to pałeczki i laseczki, które mogą występować samodzielnie lub układać się w łańcuchy. Istnieją też bakterie o nieregularnych kształtach, jak promieniowce.

Ciekawostka! Kształt bakterii nie jest przypadkowy - jest ściśle związany z ich funkcją i środowiskiem życia. Na przykład bakterie spiralne często występują w środowiskach płynnych, gdzie ich korkociągowy kształt ułatwia poruszanie się.

Budowa komórki bakteryjnej

Komórki bakteryjne mają prostą, ale skuteczną budowę. Ściana komórkowa chroni bakterię i nadaje jej kształt, podczas gdy błona komórkowa kontroluje wymianę substancji ze środowiskiem. Wnętrze wypełnia cytozol z różnymi strukturami komórkowymi.

Najważniejszym elementem jest chromosom bakteryjny - kolista cząsteczka DNA zawierająca wszystkie geny niezbędne do przeżycia. Oprócz niego występują też plazmidy - małe, dodatkowe cząsteczki DNA z genami, które nie są niezbędne, ale mogą okazać się przydatne (np. geny oporności na antybiotyki). Rybosomy o stałej sedymentacji 70S uczestniczą w produkcji białek.

Wiele bakterii posiada struktury zewnętrzne. Rzęski umożliwiają im poruszanie się, fimbrie pomagają przyczepiać się do podłoża, a pilusy uczestniczą w procesach płciowych. Bakterie fotosyntezujące mają dodatkowo tylakoidy, w których zachodzi fotosynteza.

Pamiętaj! Bakterie nie mają jądra komórkowego ani organelli otoczonych błonami, jak mitochondria czy chloroplasty. To podstawowa cecha odróżniająca je od komórek eukariotycznych.

Ściana komórkowa bakterii i wiązanie azotu

Bakterie dzielimy na Gram-dodatnie i Gram-ujemne w zależności od budowy ich ściany komórkowej. Bakterie Gram-dodatnie mają grubą ścianę $15-50 nm$ zbudowaną z wielu warstw mureiny i barwią się na fioletowo. Bakterie Gram-ujemne mają cieńszą ścianę $2-10 nm$ z jedną warstwą mureiny, posiadają dodatkową błonę zewnętrzną i barwią się na czerwono.

Niektóre bakterie mają zdolność wiązania azotu atmosferycznego, co jest kluczowe dla obiegu azotu w przyrodzie. Przekształcają one azot cząsteczkowy ($N_2$) w amoniak ($NH_3$), który może być dalej przetwarzany przez bakterie nitryfikacyjne do azotanów (V) ($NO_3$). Zarówno amoniak, jak i azotany są formami azotu przyswajalnymi dla roślin, które następnie przekazują azot organizmom heterotroficznym.

Ze względu na sposób odżywiania, bakterie dzielimy na heterotroficzne (korzystające z gotowych związków organicznych) oraz autotroficzne (wytwarzające związki organiczne z prostych związków nieorganicznych).

Ważne! Wiązanie azotu atmosferycznego zachodzi tylko w warunkach beztlenowych, ponieważ enzym nitrogenaza, odpowiedzialny za ten proces, jest wrażliwy na tlen.

Odżywianie się i oddychanie bakterii

Bakterie autotroficzne dzielimy na dwie grupy: przeprowadzające fotosyntezę (wykorzystują energię świetlną) oraz przeprowadzające chemosyntezę (wykorzystują energię chemiczną). Fotosynteza bakteryjna może być oksygeniczna (z wydzielaniem tlenu, jak u sinic) lub anoksygeniczna (bez wydzielania tlenu, jak u bakterii zielonych).

Bakterie heterotroficzne obejmują pasożyty (czerpią pokarm z żywych organizmów), saprobionty (rozkładają martwą materię organiczną) oraz symbionty (żyją w układach obustronnie korzystnych z innymi organizmami).

Bakterie oddychają na kilka sposobów. Przy oddychaniu tlenowym akceptorem elektronów jest tlen, a proces odbywa się w cytoplazmie i błonie komórkowej. Podczas oddychania beztlenowego akceptorem elektronów są inne związki, np. azotany. Fermentacja (mleczanowa lub alkoholowa) to beztlenowy proces odzyskiwania energii zachodzący w cytoplazmie.

Zapamiętaj! Równanie fotosyntezy oksygenicznej: $6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2\uparrow$, a chemosyntezy: $2HNO_2 + O_2 \rightarrow 2HNO_3 +$ energia, która następnie napędza proces: $6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2\uparrow$

Formy przetrwalnikowe, ruch i rozmnażanie bakterii

W niesprzyjających warunkach bakterie potrafią przejść w stan anabiozy (życia utajonego), tworząc formy przetrwalnikowe. Cysty powstają przez odwodnienie i otoczenie całej komórki grubą ścianą. Endospory tworzą się, gdy komórka dzieli się nierównomiernie, a mniejsza część otacza się grubą ścianą.

Bakterie reagują na bodźce środowiska, co nazywamy taksją. Wyróżniamy m.in. chemotaksję (reakcja na substancje chemiczne), fototaksję (reakcja na światło) i termotaksję (reakcja na temperaturę).

Rozmnażanie bakterii zachodzi bezpłciowo przez podział komórki i prowadzi do zwiększenia liczby osobników. W sprzyjających warunkach bakterie mogą dzielić się co 20-30 minut! Oprócz rozmnażania, bakterie uczestniczą w procesach płciowych, które nie zwiększają liczby komórek, ale zapewniają rekombinację materiału genetycznego:

• Koniugacja - bezpośrednie przekazywanie DNA (plazmidu) między dwiema komórkami
• Transformacja - pobieranie wolnego DNA z otoczenia
• Transdukcja - przekazywanie DNA za pośrednictwem bakteriofagów (wirusów atakujących bakterie)

Ciekawostka! Endospory bakterii są jednymi z najtrwalszych form życia - mogą przetrwać setki, a nawet tysiące lat w stanie uśpienia!

Archeowce i choroby bakteryjne

Archeowce to organizmy prokariotyczne różniące się od bakterii wieloma cechami. Wśród nich wyróżniamy halofile (żyjące w środowiskach silnie zasolonych) oraz termofile (występujące w gorących źródłach). Od bakterii różnią się m.in. budową chromosomu (DNA nawinięte na białka histonowe), obecnością intronów w genach oraz strukturą ściany komórkowej (brak peptydoglikanu).

Bakterie wywołują wiele groźnych chorób u ludzi:

• Gruźlica - wywołana przez prątek gruźlicy, przenosi się drogą kropelkową
• Tężec - powodowany przez laseczkę tężca, wnika przez rany zanieczyszczone ziemią
• Borelioza - wywołana przez krętki, przenoszona przez kleszcze
• Salmonelloza - powodowana przez pałeczki z rodzaju Salmonella, przenosi się drogą pokarmową
• Kila i rzeżączka - choroby przenoszone drogą płciową

Najważniejsze metody profilaktyki chorób bakteryjnych to: szczepienia ochronne, dezynfekcja ran, higiena osobista oraz bezpieczne zachowania seksualne.

Ważne! Choć archeowce wyglądają podobnie do bakterii, ich struktura molekularna i biochemia są bliższe organizmom eukariotycznym, co sugeruje ich odrębne pochodzenie ewolucyjne.

Antybiotyki i znaczenie prokariotów

Antybiotyki to substancje najczęściej pochodzenia naturalnego, izolowane z komórek niektórych grzybów i bakterii. Stosuje się je w leczeniu chorób bakteryjnych. Działają na dwa sposoby: bakteriobójczo (powodując śmierć bakterii) lub bakteriostatycznie (hamując wzrost i rozmnażanie bakterii).

Prokarioty mają ogromne znaczenie w przyrodzie i dla człowieka:

• Uczestniczą w rozkładzie martwej materii organicznej, zamykając obieg pierwiastków w przyrodzie
• Wiążą azot atmosferyczny, czyniąc go dostępnym dla roślin
• Stanowią źródło pokarmu dla innych organizmów
• Biorą udział w procesach trawiennych zwierząt (w tym człowieka)
• Znajdują zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym (produkcja antybiotyków, enzymów i innych leków)

Pamiętaj! Antybiotyki działają tylko na bakterie - są nieskuteczne w leczeniu chorób wirusowych, takich jak przeziębienie czy grypa. Nadużywanie antybiotyków prowadzi do powstawania szczepów bakterii opornych na ich działanie.