Исследовательская работа «Бактерии. Вред или польза?»

Самые маленькие и невидимые невооруженным глазом обитатели нашей планеты – это микроскопические бактерии, грибки и вирусы. Их очень много, количество исчисляется миллиардами. Роль их в природе и жизни человека различна, оценка варьируется от положительной через нейтральную к отрицательной. Рассмотрим, какие представители бактерий научились жить в тесном контакте с организмами людей, и какое значение они имеют.

Полезные и вредные бактерии

Надо сказать, что в организме человека имеются как полезные, так и вредные микроорганизмы, которые еще называют «условно патогенными». Они живут в симбиозе друг с другом, сохраняя необходимое для нормальной жизнедеятельности равновесие, но стоит только его пошатнуть, нарушить баланс, как некоторые из вполне миролюбивых на первых взгляд видов «показывают зубы», активизируя нежелательную деятельность.

Полезные и вредные бактерии

Опасные и полезные бактерии начинают враждовать из-за стресса, переохлаждения, неправильного питания и других провоцирующих факторов, в том числе и различных инфекций, всевозможных болезней. Нередко приходится прибегать к кардинальным мерам, чтобы восстановить пошатнувшийся баланс и навести порядок в организме, восстановив его естественные функции.

Энергетический гомеостаз

В нормальных условиях поступление энергии с едой и ее траты в течение дня подстраиваются друг под друга — это позволяет сохранять относительно постоянный уровень запасенной в жире энергии (27, 28). Недоедание/голодание и поддержание сниженной массы тела заставляют организм включать механизмы адаптации и экономии. Во-первых, снижаются траты энергии в течение дня: становится более активной парасимпатическая нервная система, что проявляется замедлением сердечного ритма, снижением артериального давления и расхода энергии в покое за счет снижения выработки гормонов щитовидной железы (29, 30).

Во-вторых, человек чувствует голод острее, получает больше удовольствия от еды, дольше не чувствует насыщения и хуже оценивает количество съеденного. Все это толкает есть больше, чтобы восстановить запасы энергии — и краткосрочные, и долгосрочные в виде жира. Исследования показывают, что эти сигналы не снижаются со временем даже у однажды похудевших людей, которые стараются поддерживать новый вес. Как результат, многие набирают его обратно (31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40).

Все эти адаптации находятся под управлением гормона лептин, который вырабатывается жировыми клетками и действует непосредственно на рецепторы в головном мозге через вегетативную нервную и нейроэндокринную системы.

Исследования на грызунах

У нас есть много исследований влияния микрофлоры кишечника на энергетический баланс, но практически все контролируемые исследования проведены на грызунах.

Два наиболее распространенных типа бактерий в кишечнике — Bacteroidetes и Firmicutes. У генетически страдающих ожирением мышей относительная доля Bacteroidetes снижена, а Firmicutes — увеличена (7), в отличие от стройных мышей. Это показывает, что ожирение само по себе изменяет состав бактерий. Потеря веса так же влияет на разнообразие и соотношение бактерий в кишечнике.

Энергетический гомеостаз

Питание влияет и на состав, и на разнообразие бактерий в кишечнике. Так, диета с высоким содержанием полисахаридов приводит к большему разнообразию бактерий (8). А диета с большим количеством жиров у обычных мышей, а так же устойчивых к ожирению при помощи генной инженерии, приводит к значительному снижению Bacteroidetes, независимо от скорости набора веса (9).

Изменения микрофлоры влияют и на энергетический гомеостаз у грызунов. Например, лабораторные мыши, лишенные с самого рождения бактерий в кишечнике, хуже усваивают еду и хуже получают из нее энергию. Заселение их кишечника бактериями от «обычных» мышей (в сочетании с обычной мышиной диетой без перекармливания или недокармливания) приводит к набору веса тела до того же уровня, что имеют мыши-доноры (10).

А  мыши, получившие микрофлору от доноров с ожирением, содержащую более высокие абсолютные и относительные количества Firmicutes, набрали в два раза больше жира, чем мыши, получившие бактерии от «нормальных» доноров. Интересно, что в обоих вариантах мыши ели примерно одинаково, и никакой значительной разницы в потреблении энергии между ними не было, поэтому ученые предполагают, что причина — в повышении эффективности извлечения энергии из еды (11).

Другие исследования показывают, что роль играет и состав диеты. Стерильные мыши, получившие бактерии от мышей с ожирением, набирали больше веса, чем те, кто получил бактерии от устойчивых к ожирению доноров, но эффект этот был только при питании с высоким содержанием жиров.

Читайте также:  Когда клещ уже укусил, вакцина от энцефалита не поможет

Прежде чем переносить результаты исследований на людей, важно понимать, что системы энергетического гомеостаза у людей и мышей в некоторых моментах принципиально разные.

Во-первых, отличается типичная диета: в мышиной больше углеводов и меньше жира. Во-вторых, отличаются ночные и суточные биоритмы, связанные с потреблением энергии и ее расходом. В-третьих, самые серьезные различия — в количестве бурого и белого (обычного) жира в теле: у мышей намного больше бурого, и на него приходится >50% их метаболизма, а у людей — менее 5% (41, 42). У мышей на количество бурого жира и его метаболизм влияет как состав рациона, так и бактерии кишечника (43, 44), вот почему на мышиный энергетический гомеостаз микрофлора влияет намного больше. Об этом нужно помнить, прежде чем переносить результаты исследований по бактериям напрямую на человека.

Кто их открыл

Впервые увидеть мельчайших одноклеточных в самодельный микроскоп смог исследователь из Голландии, живший в 17 веке, Антони Ван Левенгук. Изучать окружающий мир через увеличительное стекло лупы он начал во время работы в галантерейном магазине.

Антони Ван Левенгук (1632 — 1723)

Кто их открыл

В дальнейшем Левенгук сосредоточился на изготовлении линз, способных к увеличению до 300 раз. В них он рассматривал мельчайшие микроорганизмы, описывая полученную информацию и перенося увиденное на бумагу.

В 1676 году Левенгук обнаружил и изложил сведения о микроскопических существах, которым дал название «анималькули».

Дисбактериоз

Дисбактериозом принято называть изменения в количестве и качестве бактерий. В этом случае большое количество хороших бактерий просто погибает, а плохие начинают быстро размножаться. Дисбактериоз во многих случаях охватывает не только кишечник. Он может проявляться в полости рта или на слизистых. В анализах могут быть обнаружены стрепто- и стафилококки.

При первых признаках дисбактериоза лучше проконсультироваться с врачом.

При нормальном состоянии организма полезные бактерии способны полностью регулировать размножение болезнетворных микроорганизмов. Обычно дыхательные пути и кожа находятся под защитой. Но в случае нарушения баланса человек начинает ощущать некоторые симптомы развивающегося заболевания.

Дисбактериоз

Появляются боль в животе, вздутие, возможно развитие метеоризма и диареи. Позже начинаются авитаминоз, анемия. Из-за отсутствия аппетита стремительно снижается вес. У женщин могут развиваться нарушения в половой сфере. Появляются обильные выделения из влагалища. Часто они имеют неприятный запах. Кожа становится сухой. На ней можно обнаружить шероховатости и трещинки. Практически во всех случаях дисбактериоз является одним из проявлений длительного приема антибиотиков.

При первых признаках заболевания желательно сразу обращаться к врачу. Доктор назначит все необходимые обследования, на основании которых будет определено максимально эффективное лечение дисбактериоза. Наиболее часто в лечебных целях применяют различные пробиотики.

О чем микробы говорят друг с другом

[КШ] Почему разные страшные эпидемии обычно приходят из Африки?

[КС] Думаю, это не совсем правильное утверждение, — уверен, например, что туберкулез не оттуда. В Африке просто разнообразные условия и биоразнообразие очень большое. Это такая гигантская лаборатория, в которой можно обкатывать всякие новые варианты. И одна из причин, почему Африку так тяжело было завоевать или покорить. Европейская цивилизация развивалась в схожих климатических условиях. А когда вы движетесь с севера на юг, возникают новые климатические зоны с новыми микробами. То же самое в вытянутой с севера на юг Америке: майя, инки, ацтеки почти не общались друг с другом, потому что не могли пройти этот барьер — в новых природных условиях их убивали непривычные для их организма микробы.

[КШ] Сами бактерии как-то общаются между собой?

[КС] Безусловно, с помощью химических сигналов. Антибиотики ведь не люди изобрели — это вещества, с помощью которых микробы общаются друг с другом. Ученые всегда изучали бактерий в чистой культуре определенного вида, но в природе такого не бывает: у любого места обитания свой микробиом, сообщество разных микробов, где все зависят друг от друга. У них сложные отношения, всё как у людей, хотя конечная цель каждого вида — победить, всё захватить. Но другие бактерии не дают — возникает какой-то баланс.

Читайте также:  Инкубационный период ветрянки у взрослых

Самая важная информация для бактерий — это есть ли еда, сколько вокруг других представителей твоего вида и других видов. Определяют они это с помощью механизма, который по-английски называется quorum sensing, — некоторые переводят это как «чувство локтя». В небольшом объеме среды каждая бактерия выпускает наружу какое-то вещество, которое ее собратья могут почувствовать. Если бактерий много, то и вещества будет много — они поймут, что здесь тесно и, вместо того чтобы размножаться как бешеные, образуют споры или биопленку. Так, например, происходит в легких больного муковисцидозом — микробы говорят другу: «Нам здесь стало очень тесно» и образуют пленки, а больной при этом умирает. Для таких сообщений им и нужны антибиотики.

[КШ] То есть антибиотик — это сигнал типа «убей себя», а не какой-то яд, который, допустим, мембраны разрушает?

[КС] Да, антибиотик — это информация, сигнальная молекула, которая изменяет экспрессию генов. В природе антибиотики, как правило, не достигают такой концентрации, при которой убивают. А поскольку антибиотики были изобретены бактериями для общения между собой, то и гены устойчивости к антибиотикам возникли давным-давно, задолго до всяких врачей. Именно поэтому победить устойчивость к антибиотикам всё равно никогда не удастся. Гены устойчивости появились не потому, что злые бактерии вдруг решили наступить на горло нашей песне. Если вы возьмете образцы бактериальной ДНК из скважины, пробуренной в вечной мерзлоте, то, конечно, найдете гены устойчивости ко всем антибиотикам. Ведь бактерия, которая их производит, по определению к ним устойчива, то есть сама является источником антигенов.

Бактерии рода лактобациллус: характеристика и значение

Живые бактерии для кишечника, название рода которых звучит как лактобациллус, – это естественные обитатели микрофлоры кишечника при условии его нормального состояния. Они оказывают положительное влияние на общее состояние данного органа, так как:

  • активизируют работу многих важных ферментов и белков, участвующих в иммунных процессах;
  • действуют как антагонисты на патогенные микробы, избавляя организм от интоксикации;
  • ускоряют заживляющие (регенерационные) процессы в слизистых оболочках и прочее.

Именно эти бактерии используются при производстве кисломолочной продукции. То есть их штаммы входят в состав заквасок различного вида, из которых изготавливают:

  • живые йогурты;
  • кефир;
  • простокваши;
  • коктейли и прочие продукты.

Видов этого рода прокариот достаточно много. Поэтому ниже будет представлена таблица. Бактерии данного таксона, которые обитают внутри кишечника, войдут в список представителей вместе со своим названием.

Род бактерий

Семейство и вид

Основная роль

Лактобациллы

Ацидофильная палочка

Обладает способностью вырабатывать молочную кислоту в больших количествах, тем самым подавляя и угнетая патогенные микробы. Восстанавливает микрофлору, быстро и естественно вживаясь в кишечник. Используется в составе лекарственных средств, ацидофильных продуктов питания.

Болгарская палочка

Основные свойства этой бактерии будут рассмотрены отдельно.

Лактобациллы/

лактобактерии Казеи

Действие на организм: снижает артериальное давление, уменьшает риск возникновения гастрита и язвы, оказывает противоопухолевое действие, влияет на метаболизм и улучшает регулярность и качество стула.

Лактококки: диацетилактис, креморис

Естественными представителями микрофлоры не являются, однако используются при изготовлении молочнокислых продуктов, сыров. Влияют на выработку некоторых ферментов.

Термофильный стрептококк

Способствует нормализации работы ЖКТ и устраняет микробы.

Лейконосток лактис

В ходе жизнедеятельности формирует белковые молекулы, которые борются с инфекционными и патогенными микробами.

Роль в сельском хозяйстве

Силосование корма – это лучший способ заготовки и сохранения зеленой массы. Для создания необходимых условий исходное сырье (траву, зеленую массу кукурузы, ботву) укладывают в специальные силосные ямы, тщательно утрамбовывают и накрывают слоем земли. При этом создаются условия, в которых основная часть микробов погибает, а молочнокислые бактерии перерабатывают углеводы растений до тех пор, пока концентрация молочной кислоты не составит 60 % и более, а кислотность силоса не достигнет рН 4.5. Кроме молочной, в силосе накапливается и уксусная кислота. Для завершения процесса требуется около одного месяца.

Роль бактерий в природе

Она также, безусловно, велика. Выделяют несколько глобальных функций, без которых все живое на планете наверняка уже давно бы прекратило свое существование. Самая важная – санитарная. Бактерии поедают отмершие организмы, находящиеся в природе. Они, по сути своей, работают своеобразными дворниками, не позволяя накапливаться отложениям мертвых клеток. По-научному их называют сапротрофы.

Еще одна немаловажная роль бактерий – участие во всемирном круговороте веществ на суше и на море. На планете Земля все вещества в биосфере переходят от одного организма к другому. Без некоторых бактерий этот переход попросту стал бы невозможен. Неоценима роль бактерий, например, в круговороте и воспроизводстве такого важного элемента, как азот. В почве существуют определенные бактерии, которые делают из азота в воздухе азотистые удобрения для растений (микроорганизмы проживают прямо в их корнях). Такой симбиоз между растениями и бактериями изучается наукой.

Краткая характеристика стрептомицетов, клубеньковых бактерий и цианобактерий

Стрептомицеты в природе обитают в почве, воде и остатках разлагающейся органики.

Эти микробы являются грамположительными и под микроскопом имеют нитевидную форму.

Краткая характеристика стрептомицетов, клубеньковых бактерий и цианобактерий

Большинство стрептомицетов играют важнейшую роль в обеспечении экологического равновесия в природе. По причине того что эти микробы обладают способностью перерабатывать разлагающуюся органическую субстанцию его рассматривают, как биовосстанавливающий агент.

Некоторые виды стрептомицетов применяются для изготовления эффективных антибиотиков и противогрибковых препаратов.

Микоризы обитают в почве, они существуют в на корнях растений, входя с растением в симбиоз. Наиболее распространенным симбионтом микоризы являются растения семейства бобовые.

Краткая характеристика стрептомицетов, клубеньковых бактерий и цианобактерий

Польза их заключается в способности связывать атмосферный азот, переводя его в соединениях в форму, которая с легкостью усваивается растениями.

Растения не способны усваивать азот атмосферы, поэтому они всецело зависят от деятельности этого типа микроорганизмов.

Цианобактерии обитают чаще всего в воде и на поверхности голых скал.

Краткая характеристика стрептомицетов, клубеньковых бактерий и цианобактерий

Эта группа живых организмов известны как сине-зеленые водоросли. Этот тип живых организмов играют важную роль в живой природе. Они ответственны за фиксирование атмосферного азота в водной среде.

Краткая характеристика стрептомицетов, клубеньковых бактерий и цианобактерий

Размножение

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее.

После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток).

Бактерия (1), поглотившая достаточно пищи, увеличивается в размерах (2) и начинает готовиться к размножению (делению клетки). Её ДНК (у бактерии молекула ДНК замкнута в кольцо) удваивается (бактерия производит копию этой молекулы). Обе молекулы ДНК (3,4) оказываются, прикреплены к стенке бактерии и при удлинении бактерии расходятся в стороны (5,6). Сначала делится нуклеотид, затем цитоплазма.

После расхождения двух молекул ДНК на бактерии появляется перетяжка, которая постепенно разделяет тело бактерии на две части, в каждой из которых есть молекула ДНК (7).

Бывает (у сенной палочки), две бактерии слипаются, и между ними образуется перемычка (1,2).

По перемычке ДНК из одной бактерии переправляется в другую (3). Оказавшись в одной бактерии, молекулы ДНК сплетаются, слипаются в некоторых местах (4), после чего обмениваются участками (5).

Берег жизни - медицинский портал о здоровье