Rola bakterii w przyrodzie, gospodarce i życiu człowieka

Wszystkie organizmy żywe możemy podzielić na dwie grupy: organizmy, które nie mają wykształconego jądra komórkowego (Prokariota) oraz organizmy mające wykształcone jądro komórkowe (Eukariota). Bakterie są jednokomórkowymi organizmami prokariotycznymi tzn. nie mają typowego jądra komórkowego, które zostało zastąpione kolistą dwuniciową cząsteczką DNA poskręcaną i przyczepioną do białkowo-rybonukleinowego rdzenia, znajdującą się w części cytoplazmy zwanej obszarem jądrowym, czyli nukleoidem. DNA zawarty w nukleoidzie nie jest oddzielony od reszty cytoplazmy z rybosomami, dzięki czemu wykorzystanie informacji zawartej w tym materiale może być bardzo szybkie.
Bakterie występują we wszystkich możliwych środowiskach. Są w stanie przetrwać w najbardziej ekstremalnych warunkach dzięki swoim zdolnościom przystosowawczym. Mówimy że są organizmami kosmopolitycznymi. Nie oznacza to jednak że wszystkie bakterie mogą występować we wszystkich możliwych środowiskach. Znaczna część bakterii jest wysoce wyspecjalizowana a ich środowiska ograniczone do pewnych warunków tlenowych, temperaturowych i pokarmowych. Niektóre bakterie rozmnażające się w swoim biotopie mogą przetrwać także w innych środowiskach, nie mogą się w nich jednak rozmnażać.
Środowiskiem, w którym występuje największa liczba bakterii jest gleba. W 1 g gleby występuje ok. 950 mln bakterii. Największa ilość bakterii występuje w ryzosferze czyli warstwie gleby otaczającej korzenie roślin. Mnóstwo bakterii żyje w wodach przy czym ich liczba zależy od wielu czynników takich jak temperatura wody, jej zasolenie, zanieczyszczenie, natlenienie i zawartość składników odżywczych. Przeciętnie w 1 ml wody występuje ok. 1 mln bakterii. Bardzo dużo bakterii występuje także w mułach na dnie zbiorników wodnych. Kolejnym ważnym środowiskiem życia bakterii jest powierzchnia i wnętrze innych organizmów. Stosunkowo nieliczne są bakterie chorobotwórcze, znaczna ich część to komensale nie wywołujące żadnych szkód w organizmie oraz symbionty, które w zamian za udostępnienie miejsca i pożywienia dostarczają gospodarzowi pewne substancje chemiczne.
Należy tu zaznaczyć, że granice między tymi kategoriami są bardzo nieostre i może się zdarzyć, że w przypadku osłabienia organizmu zupełnie dla niego nieszkodliwa bakteria może spowodować stan chorobowy. Tego typu sytuacje obserwuje się niekiedy u pałeczki okrężnicy (Escherichia coli)żyjącej w jelicie cienkim człowieka czy bakterii z rodzaju Rhyzobium występującej w brodawkach korzeniowych roślin motylkowych. Bakterie a także ich formy przetrwalnikowe spotykane są również w powietrzu. Nie prowadzą tam jednak aktywnego życia, tylko przemieszczają się do odpowiedniego dla siebie środowiska.
Zróżnicowanie kształtów bakterii jest niewielkie. Mogą one występować pojedynczo lub w postaci kilku do kilkunastokomórkowych skupień i mają kilka podstawowych, często występujących kształtów i kilka nietypowych. Tak więc mamy bakterie kuliste (ziarniaki) które są bardzo pospolite. Występują pojedynczo lub w skupieniach o określonych nazwach. Do najbardziej znanych nalezą Do najbardziej znanych bakterii tej grupy należą: dwoinka zapalenia płuc i gronkowiec złocisty. Druga grupa to bakterie o walcowatych kształtach do której zaliczamy przede wszystkim pałeczki i laseczki. Należy do nich pałeczka okrężnicy oraz znana z wywoływania zatruć pałeczka Salmonella, a także powodujące tężec i produkujące jad kiełbasiany laseczki Clostridium. Do bakterii spiralnych zaliczamy przecinkowce, śrubowce krętki np. przecinkowiec cholery, i krętek blady wywołujący kiłę. Ostatnią grupę stanowią występujące w glebie promieniowce.
Bakterie są niezbędnym ogniwem w obiegu materii w przyrodzie. Są destruentami (saprofity) rozkładającymi martwą materię organiczną do prostych związków nieorganicznych mogących być potem wykorzystanych przez rośliny. Gdyby nie było bakterii cała ziemia pokryłaby się ciałami martwych roślin i zwierząt.
Wiele bakterii żyje w symbiozie z innymi organizmami. Na przykład bakterie azotowe Rhyzobium mające zdolność wiązania azotu atmosferycznego wchodzą w symbiozę z roślinami motylkowymi i rozwijają się w ich brodawkach korzeniowych. Część soli azotowych bakterie oddają roślinie w zamian otrzymując organiczne produkty fotosyntezy. Powiązania bakterii ze światem zwierząt są bardzo różnorodne. Bakterie są pokarmem wielu pierwotniaków lecz także przeżuwaczy takich jak krowa czy owca. W żwaczu tych zwierząt żyją bakterie i inne drobnoustroje rozkładające celulozę. Te drobnoustroje stają się następnie pokarmem trawionym przez zwierzę. W przewodzie pokarmowym innych zwierząt i człowieka także żyje wiele bakterii rozkładających nie strawiony pokarm czy celulozę oraz dostarczających istotnych składników swoim gospodarzom. Przykładem może być pałeczka okrężnicy czyli Eschelichia coli. Zwierzęta eksperymentalnie pozbawione wewnętrznych drobnoustrojów od urodzenia, nie rozwijały się prawidłowo i wykazywały rozmaite anomalie anatomiczne.
Natomiast biochemiczne umiejętności bakterii już od dawna wykorzystywane są do produkcji artykułów spożywczych (serów, kefirów i jogurtów), wszelkie procesy kiszenia (kapusty, ogórków) również opierają się na działalności bakterii fermentacyjnych.
Z drugiej strony to właśnie bakterie powodują psucie się produktów żywnościowych. Aby temu zapobiec stosuje się różne zabiegi konserwujące np. pasteryzacja, zamrażanie, solenie, słodzenie, czy dodawanie związków chemicznych hamujących rozwój bakterii.
W przemyśle wykorzystuje się bakterie do produkcji różnych substancji chemicznych m.in. niektórych kwasów organicznych, wielu witamin i aminokwasów. Dzięki bakteriom z obornika można otrzymać metan wykorzystywany jako źródło energii np. do poruszania silników. Bakterie mają również ogromne znaczenie w rozkładaniu szkodliwych substancji produkowanych przez ludzi. Wiele detergentów i środków ochrony roślin jest rozkładanych przez bakterie. Są one również wykorzystywane w biologicznym oczyszczaniu ścieków gdzie stanowią podstawowy składnik tzw. osadu czynnego, w którym następuje przerabianie substancji zawartych w ściekach na składniki ciała bakterii.
Wiele bakterii ma zastosowanie w medycynie. Wytwarzają one substancje hamujące rozwój konkurencyjnych bakterii tzw. antybiotyki, które wykorzystywane są w leczeniu wielu zakażeń bakteryjnych. Najważniejszą grupą bakterii pod względem produkcji antybiotyków są promieniowce wytwarzające streptomycynę i tetracyklinę. Niektóre bakterie wykorzystuje się do produkcji węglowodanu dekstranu, który stanowi podstawę płynu krwiozastępczego.
Bakterie mają wielkie znaczenie w badaniach biologicznych, oraz w inżynierii genetycznej. Są bowiem źródłem enzymów restrykcyjnych służących do przecinania obcych cząsteczek DNA w ściśle określonych miejscach. W naturze enzymy te wykorzystywane są do cięcia DNA bakteriofagów, lecz w inżynierii genetycznej wykorzystuje się je do cięcia cząsteczek DNA różnych organizmów celem wyizolowania i sklonowania odpowiednich genów.
Krótko mówiąc bakterie, którym wstawi się do komórek geny odpowiedzialne za wytwarzanie określonego białka ludzkiego lub zwierzęcego stają się „fabrykami” tego białka. Niektóre bakterie w naturze powodujące choroby roślin wykorzystywane są przez inżynierów genetycznych do przenoszenia genów z jednych roślin na drugie w celu otrzymania nowych odmian o korzystnych z punktu widzenia człowieka właściwościach. Niektóre szczepy Eschelichia coli wykorzystuje się do produkcji insuliny. Obecnie naukowcy prowadzą badania nad wykorzystaniem bakterii do produkcji szczepionki przeciwko wirusowi HIV.
Nie wszystkie bakterie są jednak tak pożyteczne. Niewielki ich procent wywołuje mniej lub bardziej groźne choroby roślin, zwierząt i człowieka.
Do chorób roślin wywołanych przez bakterie należą: więdnięcie, gnicie i powstawanie rakowatych narośli. Bakteryjne choroby zwierząt natomiast często przypominają choroby ludzi lub są z nimi tożsame. Przyczyną występowania objawów bakteryjnych chorób zakaźnych jest namnażanie się bakterii w komórkach i wydzielanie przez nie jadów, czyli substancji o charakterze toksycznym. Są dwa rodzaje takich toksyn: wydzielane poza komórkę egzotoksyny i uwalniane z komórki podczas jej rozpadu endotoksyny. Podczas kiedy bakterie nie wnikają do narządów, ich toksyny mogą wraz z krwią zostać rozniesione po całym organizmie powodując uszkodzenia tkanek i narządów. Obecnie dzięki szczepieniom ochronnym oraz profilaktyce można uniknąć wielu groźniejszych chorób bakteryjnych. Natomiast wprowadzenie leków takich jak sulfonamidy i antybiotyki znacznie ograniczyły ataki bakterii i pozwalają szybko powstrzymać ich rozwój w organizmie żywiciela. Jednak dany antybiotyk w przypadku jednego szczepu bakterii może się okazać skuteczny, a w innym szczepie nie wyrządzi żadnych szkód. Ma to związek z opornością bakterii na antybiotyki. Bakterie nabywają ją w dwojaki sposób. Pierwszy polega na mutacjach. Antybiotyki można podzielić na dwie grupy: blokujące rozbudowę ścian komórek bakteryjnych oraz łączące się z rybosomami bakteryjnymi i blokujące syntezę białek. W przypadku streptomycyny blokuje ona syntezę białek w komórce bakteryjnej poprzez wiązanie się z rybosomami. W skład rybosomu wchodzą cząsteczki rRNA i liczne białka. Mutacja polega na podstawieniu pojedynczego aminokwasu w określonym białku rybosomalnym co powoduje zmianę w całym rybosomie i streptomycyna przestaje hamować jego działanie. Drugi sposób polega na przemieszczaniu się plazmidów z jednej komórki bakteryjnej do drugiej. W niektórych plazmidach bakterii są geny kodujące enzymy degradujące określone antybiotyki. Bakteria zawierająca taki gen jest oporna na dany antybiotyk, gdyż w przypadku wniknięcia jego cząsteczek do komórki, są one natychmiast niszczone przez odpowiednie enzymy. Plazmidy maja tę cechę, że mogą się przedostawać z jednej komórki bakteryjnej do drugiej, nawet jeśli należy ona do drugiego rodzaju . Jeżeli organizm jest zarażony przez szczep bakterii wrażliwych np. na ampicylinę lecz znajdują się w nim symbiotyczne bakterie oporne na ten antybiotyk, wówczas plazmid z genem warunkującym tę oporność może przedostać się do komórek bakterii wrażliwych przekształcając je w oporne. Po zakończeniu kuracji antybiotykiem te bakterie, które nabyły oporność mogą spowodować zakażenie wtórne, ale tym razem nie zabije ich ampicylina i trzeba zastosować inny antybiotyk.
Do najważniejszych chorób bakteryjnych człowieka należą: cholera, trąd, gruźlica, dur brzuszny, angina, czerwonka bakteryjna, szkarlatyna, krztusiec, borelioza, zapalenie opon mózgowych, kiła, rzeżączka, dyfteryt. Prócz typowych chorób wyróżnić możemy też zatrucia, w których nie bakterie są czynnikiem wywołującym objawy choroby, ale wytwarzane przez nie egzotoksyny. Do najczęstszych należą zatrucia pokarmowe powodowane przez bakterie z rodzaju Salmonella , natomiast do najgroźniejszych – zatrucie toksyną produkowaną przez laseczkę tężca oraz jadem kiełbasianym wytwarzanym przez laseczkę jadu kiełbasianego.
Jak widać, czasami najmniejsze organizmy, których nie możemy nawet zobaczyć, mają ogromny wpływ na nasze życie, oraz na życie całej planety.