Vad är bakterier och vad gör de?

Bakterier är mikroskopiska, encelliga organismer som finns i sina miljoner, i varje miljö, både inom och utanför andra organismer.

Vissa bakterier är skadliga, men de flesta tjänar ett användbart syfte. De stöder många livsformer, både växter och djur, och de används i industriella och medicinska processer.

Bakterier tros ha varit de första organismerna som dyker upp på jorden för ungefär 4 miljarder år sedan. De äldsta kända fossilerna är av bakteriliknande organismer.

Bakterier kan använda de flesta organiska och vissa oorganiska föreningar som mat, och vissa kan överleva extrema förhållanden.

Ett växande intresse för tarmmikrobiomens kasta nytt ljus på de roller bakterier spelar för människors hälsa.

Vad är bakterier?

Bakterier är encelliga organismer.

Bakterier är encelliga organismer som varken är växter eller djur.

De mäter vanligtvis några mikrometer i längd och finns tillsammans i miljontals samhällen.

Ett gram jord innehåller vanligtvis cirka 40 miljoner bakterieceller. En milliliter färskvatten innehåller vanligtvis cirka en miljon bakterieceller.

Jorden beräknas innehålla minst 5 miljoner bakterier, och mycket av jordens biomassa tros bestå av bakterier.

Typer

Det finns många olika typer av bakterier. Ett sätt att klassificera dem är genom form. Det finns tre grundläggande former.

• Sfäriska: Bakterier formade som en boll kallas cocci, och en enda bakterie är coccus. Exempel är streptokockgruppen, ansvarig för "strep hals."
• Stångformad: Dessa kallas baciller (singular bacillus). Vissa stavformade bakterier är krökta. Dessa kallas vibrio. Exempel på stavformade bakterier inkluderar Bacillus anthracis (B. antracis) eller mjältbrand.
• Spiral: Dessa kallas spirilla (singular spirillus). Om deras spole är mycket tät kallas de för spirocheter. Leptospiros, Lyme-sjukdom och syfilis orsakas av bakterier av denna form.

Det finns många variationer inom varje formgrupp.

Strukturera

Bakterieceller skiljer sig från växt- och djurceller. Bakterier är prokaryoter, vilket innebär att de inte har någon kärna.

En bakteriecell inkluderar:

• Kapsel: Ett lager som finns på utsidan av cellväggen hos vissa bakterier.
• Cellvägg: Ett lager som är tillverkat av en polymer som kallas peptidoglykan. Cellväggen ger bakterierna sin form. Det är placerat utanför plasmamembranet. Cellväggen är tjockare hos vissa bakterier, kallade grampositiva bakterier.
• Plasmamembran: Finns i cellväggen och genererar energi och transporterar kemikalier. Membranet är permeabelt, vilket innebär att ämnen kan passera genom det.
• Cytoplasma: En gelatinös substans inuti plasmamembranet som innehåller genetiskt material och ribosomer.
• DNA: Detta innehåller alla genetiska instruktioner som används i bakteriens utveckling och funktion. Den är placerad inuti cytoplasman.
• Ribosomer: Det är här proteiner tillverkas eller syntetiseras. Ribosomer är komplexa partiklar som består av RNA-rika granuler.
• Flagellum: Detta används för rörelse, för att driva vissa typer av bakterier. Det finns vissa bakterier som kan ha mer än en.
• Pili: Dessa hårliknande bilagor på utsidan av cellen gör det möjligt att hålla fast vid ytor och överföra genetiskt material till andra celler. Detta kan bidra till att sjukdomen sprids hos människor.

Matning

Bakterier matas på olika sätt.

Heterotrofa bakterier, eller heterotrofer, får sin energi genom att konsumera organiskt kol. De flesta absorberar dött organiskt material, såsom nedbrytande kött. Några av dessa parasitära bakterier dödar sin värd, medan andra hjälper dem.

Autotrofa bakterier (eller bara autotrofer) gör sin egen mat, antingen genom antingen:

• fotosyntes, med solljus, vatten och koldioxid, eller
• kemosyntes, med användning av koldioxid, vatten och kemikalier som ammoniak, kväve, svavel och andra

Bakterier som använder fotosyntes kallas fotoautotrofer. Vissa typer, till exempel cyanobakterier, producerar syre. Dessa spelade förmodligen en viktig roll för att skapa syre i jordens atmosfär. Andra, såsom heliobakterier, producerar inte syre.

De som använder kemosyntes är kända som kemoautotrofer. Dessa bakterier finns ofta i havsöppningar och i rötterna av baljväxter, såsom alfalfa, klöver, ärtor, bönor, linser och jordnötter.

Vart bor dem?

Bakterier kan trivas även i extrema miljöer, såsom glaciärer.

Bakterier finns i jord, vatten, växter, djur, radioaktivt avfall, djupt i jordskorpan, arktisk is och glaciärer och varma källor. Det finns bakterier i stratosfären, mellan 6 och 30 mil uppe i atmosfären och i havsdjupet, ner till 32 800 fot eller 10 000 meter djupa.

Aerober eller aeroba bakterier kan bara växa där det finns syre. Vissa typer kan orsaka problem för den mänskliga miljön, såsom korrosion, nedsmutsning, problem med vattenklarhet och dålig lukt.

Anaerober, eller anaeroba bakterier, kan bara växa där det inte finns syre. Hos människor är detta mestadels i mag-tarmkanalen. De kan också orsaka gas, gangren, tetanus, botulism och de flesta tandinfektioner.

Fakultativa anaerober eller fakultativa anaeroba bakterier kan leva antingen med eller utan syre, men de föredrar miljöer där det finns syre. De finns mestadels i jord, vatten, vegetation och en viss normal flora av människor och djur. Exempel inkluderar Salmonella.

Mesofiler, eller mesofila bakterier, är de bakterier som ansvarar för de flesta mänskliga infektioner. De trivs vid måttliga temperaturer, runt 37 ° C. Detta är människokroppens temperatur.

Exempel inkluderar Listeria monocytogenes, Pesudomonas maltophilia, Thiobacillus novellus, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyrogenes, Streptococcus pneumoniae, Escherichia colioch Clostridium kluyveri.

Den mänskliga tarmfloran, eller tarmmikrobiom, innehåller fördelaktiga mesofila bakterier, såsom kost Lactobacillus acidophilus.

Extremofiler, eller extremofila bakterier, kan tåla förhållanden som anses vara för extrema för de flesta livsformer.

Termofiler kan leva i höga temperaturer, upp till 75 till 80 ° C, och hypertermofiler kan överleva i temperaturer upp till 113 ° C.

Djupt i havet lever bakterier i totalt mörker av termiska ventilationsöppningar, där både temperatur och tryck är höga. De gör sin egen mat genom att oxidera svavel som kommer djupt inne i jorden.

Andra extremofiler inkluderar:

• halofiler, finns bara i en salt miljö
• acidofiler, av vilka en del lever i sura miljöer som pH 0
• alkalifiler, lever i alkaliska miljöer upp till pH 10,5
• psykrofiler, som finns i kalla temperaturer, till exempel i glaciärer

Extremofiler kan överleva där ingen annan organism kan.

Reproduktion och transformation

Bakterier kan reproducera och förändras med hjälp av följande metoder:

• Binär fission: En asexuell form av reproduktion, där en cell fortsätter att växa tills en ny cellvägg växer genom mitten och bildar två celler. Dessa separerar, vilket gör två celler med samma genetiska material.
• Överföring av genetiskt material: Celler förvärvar nytt genetiskt material genom processer som kallas konjugering, transformation eller transduktion. Dessa processer kan göra bakterier starkare och mer motståndskraftiga mot hot, såsom antibiotikabehandling.
• Sporer: När vissa typer av bakterier har låga resurser kan de bilda sporer. Sporer håller organismens DNA-material och innehåller de enzymer som behövs för grobarhet. De är mycket motståndskraftiga mot miljöbelastningar. Sporerna kan förbli inaktiva i århundraden tills de rätta förhållandena inträffar. Då kan de återaktiveras och bli bakterier.
• Sporer kan överleva genom perioder av miljöstress, inklusive ultraviolett (UV) och gammastrålning, uttorkning, svält, kemisk exponering och extrema temperaturer.

Vissa bakterier producerar endosporer, eller inre sporer, medan andra producerar exosporer, som frigörs utanför. Dessa är kända som cystor.

Clostridium är ett exempel på en endosporbildande bakterie. Det finns cirka 100 arter av Clostridium, Inklusive Clostridium botulinim (C. botulinim) eller botulism, ansvarig för en potentiellt dödlig typ av matförgiftning, och Clostridium difficile (C. Difficile), vilket orsakar kolit och andra tarmproblem.

Användningar

Bakterier anses ofta vara dåliga, men många är användbara. Vi skulle inte existera utan dem. Syret vi andas in skapades antagligen av bakteriens aktivitet.

Mänsklig överlevnad

Många av bakterierna i kroppen spelar en viktig roll i människans överlevnad. Bakterier i matsmältningssystemet bryter ner näringsämnen, såsom komplexa sockerarter, i former som kroppen kan använda.

Icke-farliga bakterier hjälper också till att förhindra sjukdomar genom att uppta platser som de patogena eller sjukdomsframkallande bakterierna vill fästa vid. Vissa bakterier skyddar oss från sjukdomar genom att attackera patogenerna.

Kvävefixering

Bakterier tar in kväve och släpper ut det för växtanvändning när de dör. Växter behöver kväve i jorden för att leva, men de kan inte göra det själva. För att säkerställa detta har många växtfrön en liten behållare med bakterier som används när växten groddar.

Livsmedelsteknik

Osttillverkning involverar bakterier.

Mjölksyrabakterier, såsom Lactobacillus och Laktokock tillsammans med jäst och mögel, eller svampar, används för att laga mat som ost, sojasås, natto (fermenterade sojabönor), vinäger, yoghurt och pickles.

Jäsning är inte bara användbar för konservering av livsmedel, men en del av dessa livsmedel kan erbjuda hälsofördelar.

Till exempel innehåller vissa fermenterade livsmedel typer av bakterier som liknar de som är kopplade till gastrointestinal hälsa. Vissa jäsningsprocesser leder till nya föreningar, såsom mjölksyra, som verkar ha en antiinflammatorisk effekt.

Mer utredning behövs för att bekräfta hälsofördelarna med fermenterade livsmedel.

Bakterier inom industri och forskning

Bakterier kan bryta ner organiska föreningar. Detta är användbart för aktiviteter som avfallshantering och sanering av oljeutsläpp och giftigt avfall.

Farmaceutisk och kemisk industri använder bakterier vid produktion av vissa kemikalier.

Bakterier används i molekylärbiologi, biokemi och genetisk forskning, eftersom de kan växa snabbt och är relativt lätta att manipulera. Forskare använder bakterier för att studera hur gener och enzymer fungerar.

Bakterier behövs för att göra antibiotika.

Bacillus thuringiensis (Bt) är en bakterie som kan användas i jordbruket istället för bekämpningsmedel. Det har inte de oönskade miljökonsekvenser som är förknippade med användning av bekämpningsmedel.

Faror

Vissa typer av bakterier kan orsaka sjukdomar hos människor, såsom kolera, difteri, dysenteri, bubonisk pest, lunginflammation, tuberkulos (TB), tyfus och många fler.

Om människokroppen utsätts för bakterier som kroppen inte känner igen som hjälpsamma, kommer immunsystemet att attackera dem. Denna reaktion kan leda till symtom på svullnad och inflammation som vi ser till exempel i ett infekterat sår.

Motstånd

År 1900 var lunginflammation, tuberkulos och diarré de tre största mördarna i USA. Steriliseringstekniker och antibiotika har lett till en betydande minskning av dödsfall från bakteriesjukdomar.

Men överanvändningen av antibiotika gör bakterieinfektioner svårare att behandla. När bakterierna muterar blir de mer resistenta mot befintliga antibiotika, vilket gör infektioner svårare att behandla. Bakterier förvandlas naturligt, men överanvändningen av antibiotika påskyndar denna process.

"Även om nya läkemedel utvecklas, utan beteendeförändring, kommer antibiotikaresistens att förbli ett stort hot."

Världshälsoorganisationen (WHO)

Av denna anledning uppmanar forskare och hälsovårdsmyndigheter läkare att inte ordinera antibiotika såvida det inte är nödvändigt, och att människor övar på andra sätt att förebygga sjukdomar, såsom god mathygien, handtvätt, vaccination och användning av kondomer.

Tarmmikrobiomet

Ny forskning har lett till en ny och växande känsla av hur människokroppen interagerar med bakterier, och särskilt de bakteriesamhällen som lever i tarmkanalen, känd som tarmmikrobiomet eller tarmfloran.

2009 publicerade forskare fynd som tyder på att kvinnor med fetma har större risk att ha en viss typ av bakterier, Selenomonas noxia (S. noxia), i munnen.

År 2015 fann forskare vid University of North Carolina att tarmarna hos personer med anorexi innehåller ”väldigt olika” bakterier eller mikrobiella samhällen jämfört med personer som inte har tillståndet. De föreslår att detta kan ha en psykologisk inverkan.

Historia

För över 2000 år sedan föreslog en romersk författare, Marcus Terentius Varro, att sjukdomen kan orsakas av små djur som flyter i luften. Han rekommenderade människor att undvika sumpiga platser under byggnadsarbeten eftersom de kan innehålla insekter som är för små för ögat för att se att de kommer in i kroppen genom munnen och näsborrarna och orsakar sjukdomar.

På 1600-talet skapade en holländsk forskare Antonie van Leeuwenhoek ett mikroskop med en lins som han såg vad han kallade animalcules, senare känd som bakterier. Han anses vara den första mikrobiologen.

På 1800-talet sa kemisterna Louis Pasteur och Robert Koch att sjukdomar orsakades av bakterier. Detta var känt som Germ Theory.

År 1910 tillkännagav forskaren Paul Ehrlich utvecklingen av det första antibiotikumet, Salvarsan. Han använde den för att bota syfilis. Han var också den första forskaren som upptäckte bakterier med hjälp av fläckar.

År 2001 myntade Joshua Lederburg termen "tarmmikrobiom", och forskare över hela världen försöker för närvarande beskriva och förstå mer exakt strukturer, typer och användningar av "tarmflora" eller bakterier i människokroppen.

Med tiden förväntas detta arbete belysa ett nytt antal olika hälsotillstånd.