Bakterie

Bakterie (gr. bakteriom – pałeczka) należą do prokariotycznych, jednokomórkowych organi­zmów. Termin Procaryota określa, iż materiał genetyczny tych drobnoustrojów nie jest za­mknięty w jądrze komórkowym (w odróżnieniu od organizmów prokariotycznych – organizmy eukariotyczne, do których zalicza się człowiek, posiadają jądro komórkowe).

Kiedy odkryto bakterie?

Zanim odkryto pierwsze bakterie chorobotwórcze, istniało wiele poglądów na powstawanie chorób zakaźnych. Grecki lekarz Hipokrates uważał, że przyczyną roznoszenia chorób były miazmaty, czyli zanieczyszczenia powietrza małymi, niewidocznymi, martwymi przenośnikami zarazy. Pogląd ten był aktualny aż do połowy XVI wieku. Wówczas to Girolamo Francastoro włoski poeta, filozof i astronom w swojej pracy „O zakażeniu i chorobach zakaźnych” wprowa­dził pojęcie zarazka żywego (łac. contagium vivum). Uważał, że choroby przenoszone są za pomocą przedmiotów, które same nie ulęgają zepsuciu, lecz kryją w sobie nasiona choroby – maja one charakter żywy i mogą się szybko rozprzestrzeniać. Dalszy rozwój poszukiwań przy­czyn chorób zakaźnych zawiera w sobie dokonania Leevenhoecka, który w 1673 roku dzięki udoskonalonemu przez siebie mikroskopowi po raz pierwszy zaobserwował mikroorganizmy; Cestoniego, który w 1687 roku ogląda pod mikroskopem świerzbowca; Plenicica (1705-1786), który w pracy opartej na licznych doświadczeniach wysnuwa przypuszczenie, że zalążki cho­rób rozmnażają się w ranach ropnych, wydalinach czerwonkowych i plwocinie czy wreszcie prace Schónleina, który badając skórę chorych znalazł pasożyta skóry należącego do grzybów strzygących, a noszącego obecnie nazwę Achorion schonleini.

Dopiero jednak Jakub Henie (1809-1885) zdołał ustalić, iż tworów uznawanych za zarazki należy poszukiwać wewnątrz chorego organizmu, a ich działania chorobotwórczego należy dowieść na drodze doświadczal­nej. Od tego momentu liczy się okres coraz liczniejszych doniesień o wykrywaniu zarazków chorobotwórczych. I tak: w 1873r. Obermayer odkrył krętki duru powrotnego; w 1879r. Neisser – dwoinki rzeżączki, w 1880r. Laveran – pierwotniaki zimnicy; w 1881 r. Oxton – gronkowce; w 1882r. Koch – prątki gruźlicy; w 1883r. Koch – przecinkowca cholery; w 1885r. Escherich – pałeczkę okrężnicy; w 1898r. Shiga i Krus – pałeczki czerwonki. Odkrycie drobnoustrojów zapoczątkowało dyskusje na temat ich pochodzenia. Istniały dwie szkoły, z których jedna twier­dziła, iż drobnoustroje powstają spontanicznie z materii nieożywionej. Teorie o występowaniu takiego zjawiska, zwanego samorództwem, były znane już od wieków, kiedy to starożytni Gre­cy przypuszczali, że istoty żywe, takie jak żaby i robaki rodzą się z mułu znajdującego się na dnie zbiorników wodnych. Z drugiej strony rosnąca liczba uczonych przychylała się do twier­dzenia, że wszystkie organizmy żywe powstają z form rodzicielskich, czyli identycznych gatun­kowo organizmów. Teoria ta została nazwana przez T. H. Huxleya w roku 1870 biogenezą.

Celem udowodnienia teorii samorództwa, bądź biogenezy przeprowadzono wiele ekspery­mentów. W roku 1668 włoski fizyk Francesco Redi wykazał, że obecność larw na psującym się mięsie nie jest wynikiem samorództwa, lecz że rozwijają się one z wcześniej złożonych na nim jaj much. W celu udowodnienia swojej tezy Redi umieścił jeden kawałek mięsa w otwartym słoiku, a drugi w słoiku przykrytym koronką. Po upływie pewnego czasu mięso w otwartym sło­iku pokryło się larwami, w zakrytym zaś  larw nie było. Niewyjaśnionym jednak wówczas pozo­stało, dlaczego mięso w drugim słoju także uległo zepsuciu. Zwolennicy teorii samorództwa twierdzili, że być może teoria ta nie dotyczy większych organizmów, sprawdza się jednakże w odniesieniu do drobnoustrojów. Na potwierdzenie tego ostatniego twierdzenia John Needham (1713-1781) przeprowadził eksperyment, w którym ugotowany wywar z baraniny (proces gotowania miał za zadanie zabić wszystkie mikroorganizmy znajdujące się w mięsie) został przelany do otwartych pojemników. Po krótkim czasie mięso uległo zepsuciu, co miało dowo­dzić według Needhama teorii samorództwa. Antagonista Needhama w sporze o pochodzenie drobnoustrojów, włoski fizjolog Lazzaro Spallanzani (1729-1799) przeprowadził w 1769 roku eksperyment zaprzeczający teorii samorództwa. Gotował on mianowicie przez godzinę wywar z wołowiny, który następnie umieścił w zamkniętych naczyniach. Tym razem nie doszło  do wzrostu kolonii bakteryjnych. Needham i jego zwolennicy, zaprzeczając oczywistym dowo­dom teorii biogenezy, argumentowali, że brak rozwoju drobnoustrojów związany był z pozba­wieniem tych ostatnich dopływu powietrza, głównej siły życiowej, niezbędnej wszystkim mikroorganizmom do przetrwania.

Kolejne stulecie przyniosło nową liczbę eksperymentów mających potwierdzić teorię biogenezy. I tak w 1836 roku Frank Schulze po zagotowaniu mię­sa i włożeniu go do zamkniętej butelki doprowadził powietrze przez rurkę przechodzącą przez silny roztwór kwasu, podobnie Teodor Schwann doprowadzał powietrze do wywaru z mięsa uprzednio silnie je podgrzewając. W obu powyższych doświadczeniach nie uzyskano wzrostu kolonii drobnoustrojów. Fakty te nie miały jednak wpływu na poglądy coraz mniej licznych zwolenników teorii samorództwa. Twierdzili oni, że po kontakcie z silnym kwasem lub po ogrzaniu powietrze na tyle uległo zepsuciu, iż nie mogło stanowić źródła życia dla drobno­ustrojów.

Dopiero doświadczenia przeprowadzono w latach sześćdziesiątych XIX stulecia przez jednego z najwybitniejszych badaczy świata mikroorganizmów Ludwika Pasteura (1822-1895) francuskiego chemika i mikrobiologa położyły kres tym dysputom. W odpowiedzi na prace francuskiego naturalisty Felixa Pocheta, które broniły teorii samorództwa przeprowadził serię eksperymentów mających ostatecznie dowieść teorii biogenezy. Podobnie jak poprzednicy Pa­steur napełnił butelki wywarem, który następnie podgrzewał. Powietrze do wywaru było do­prowadzane przez długie powyginane szyjki. Ten oryginalny kształt szyjek miał zapobiegać przedostawaniu się do wywaru cząsteczek kurzu i niesionych wraz z nimi drobnoustrojów. Eks­peryment zakończył się powodzeniem obalając w sposób jednoznaczny i ostateczny teorię sa­morództwa. Niektóre z wykorzystanych przez Pasteura butelek szczelnie zamknięto i umieszczono na wystawie w Instytucie Pasteura w Paryżu, gdzie można je oglądać do dziś.

Mimo upływu ponad stu lat od czasu eksperymentu nie widać w nich żadnych śladów zepsu­cia. Obalenie teorii samorództwa to oczywiście nie jedyne osiągnięcia Pasteura. Przeprowa­dzał on prace w dziedzinie fermentacji, udowadniając udział drobnoustrojów (drożdży) w tym procesie, przeprowadził w warunkach laboratoryjnych (in vitro) hodowlę drożdży i drobnoustrojów beztlenowych. Wyizolował laseczki wąglika oraz opracował i zastosował szczepionkę przeciwko tej chorobie. Zajął się również innymi chorobami ludzi i zwierząt, takimi jak różyca świń, cholera drobiu czy wścieklizna. Opracowanie i wdrożenie szczepionki przeciwko tej ostatniej chorobie najczęściej obecnie łączy się z nazwiskiem Pasteura.

Nie należy zapominać o wkładzie tego wybitnego uczonego w rozwój technik mikrobiologicznych. Wprowadził pod­łoża płynne, nauczył je wyjaławiać, udoskonalił sprzęt i metodykę laboratoryjną. Prace Pasteu­ra przypadają na złoty okres mikrobiologii. W latach 1857-1914 odkryto, bowiem wiele mikroorganizmów chorobotwórczych, powiązano ich obecność z wywoływaniem chorób za­kaźnych oraz wynaleziono środki antyseptyczne.

Drugim wybitnym bakteriologiem złotego okresu mikrobiologii był niemiecki lekarz Robert Koch (1843-1910), który jako pierwszy zasto­sował do hodowli drobnoustrojów żelatynowe podłoża półpłynne, a później stałe agarowe, co przyczyniło się do znacznego ułatwienia izolowania i hodowli drobnoustrojów chorobotwór­czych. Koch wyizolował i opisał prątek gruźlicy oraz przecinkowiec cholery.

W tym też czasie duński lekarz – Hans Christian Gram (1853-1938), zapoczątkował barwienie bakterii będące do dnia dzisiejszego podstawą rozpoznawania i klasyfikowania drobnoustrojów. Przyglądając się wybitnym postaciom mikrobiologii nie można wszakże zapomnieć o udziale polskich bada­czy w rozwoju tej dziedziny nauki. Leon Cienkowski (1822-1887) opracował własną szcze­pionkę przeciwko wąglikowi, opublikował prace z zakresu biologii wzrostu i ekologii drobnoustrojów.

Na trwałe w historii bakteriologii zapisało się nazwisko Tadeusza Browicza (1847-1928), odkrywcy pałeczki duru brzusznego. Z kolei Odon Bujwid, uczeń Kocha i Pa­steura, który w roku 1886 założył w Warszawie pierwszą w Polsce a drugą na świecie stację szczepień przeciwko wściekliźnie, uważany jest za ojca polskiej mikrobiologii. Bujwid prowadził, niezależnie od Kocha, badania nad płynem uzyskanym z prątków gruźlicy i nazwał go tuberkuliną. Określenie to przyjął później również sam Robert Koch. Do niewątpliwych osiągnięć Bujwida zaliczyć należy wyprodukowanie pierwszej polskiej surowicy przeciwbłoniczej, dzię­ki której śmiertelność z powodu błonicy zmniejszyła się w Galicji z 14000 do 3000 przypad­ków rocznie. Kolejno, Julian Nowak (1865-1946) pierwszy wprowadził do bakteriologii nazwę Mycoplasma dla dużej grupy bakterii pleomorficznych, Jan Danysz (1860-1946) wyodrębnił opisał gatunek Salmonella typhimurium, Ludwik Hirszfeld (1884-1954) odkrył i opisał gatunek Salmonella paratyphi C, Rudolf Weigel (1883-1957) był twórcą pierwszej w świecie szczepion­ki przeciwko durowi plamistemu.

Występowanie bakterii

Bakterie można znaleźć w niemal każdym środowisku na Ziemi, od wodnego do po­wietrza, od głębi oceanów do arktycznych lodów i magmy wulkanicznej. Łyżeczka wody z jeziora czy rzeki może zawierać więcej niż bilion bakterii. Warunki życia obszarów zasiedlanych przez bakterie mogą się bardzo znacznie różnić. Istnieją bakterie zdolne zno­sić temperatury wyższe od punktu wrzenia i takie przeżywające mróz arktycznych lodów czy znoszące radiację o natężeniu 1000-krotnie wyższym od bezpiecznego dla człowie­ka. Niektóre szczepy bakteryjne poruszają się używając specjalnych struktur zwanych wicia­mi, inne wydzielając lepką substancję ślizgają się na powierzchni. Bakterie różnią się między sobą kształtem: można znaleźć wśród nich or­ganizmy o kształcie cylindrycznym (pałeczki), bakterie o kształcie kuli zwane ziarniniakami, posiadające kształt spiralny noszące nazwę krętków lub podobne do przecinków zwane przecinkowcami. Do niedawna terminu bak­teria używano dla określenia wszystkich mi­kroorganizmów prokariotycznych. Obecnie wyodrębniono spośród nich dwie duże grupy, które poza rozmiarami i brakiem jądra komór­kowego różnią się w tak wielu aspektach, iż przypuszcza się, że posiadają długą, niezależ­ną drogę ewolucji. Są to: Archaebacteria i Eubacteria (tzw. bakterie właściwe).

Archebakterie

Archaebakterie (Archae) – zostały odkryte w 1970 roku przez Carla Woese. Stanowią najstarszą formę życia, powstały 3,5 biliona lat temu i żyją w środowiskach przypominających wa­runki panujące w czasach, kiedy Ziemia była młoda. Wielu naukowców sądzi, że są one ogniwem łączącym bakterie (procaryota) z or­ganizmami eukariotycznymi. Archae różnią się od typowych bakterii budową RNA rybosomalnego, budową ściany komórkowej (brak peptydoglikanów), sposobem łączenia się lipidów oraz warunkami środowiska w jakim żyją (większość z nich to beztlenowce). Ar­chae zasiedlają środowiska, w których panu­ją ekstremalne warunki życiowe, niektóre żyją w szczelinach oceanicznych, gdzie panują temperatury powyżej 100°C (hypertermofile), inne w gorących źródłach lub ekstremalnie zasadowych lub kwaśnych środowiskach (haofile). Drobnoustroje produkujące metan znaleziono w przewodzie pokarmowym krów. Archae żyją w warunkach beztlenowych – w błotach bagien, na dnie oceanu a nawet w złożach ropy, głęboko pod ziemią. Niektóre (halofilowe) znajdują idealne warunki wzrostu w bardzo słonej wodzie. Halobacterium żyjące w środowisku o wysokim stęże­niu soli wytwarzają światłoczuły czerwony pigment zwany halorodopsyną, pozwalający na uzyskiwanie chemicznej energii, i które­go budowa jest bardzo podobna do rodop­syny, barwnika znajdującego się w siatkówce oka ludzkiego. Oprócz środowisk o ekstremal­nych warunkach życia część Archae zasiedla powierzchnie oceanów. Archae są niewielkimi mikroorganizmami o długości nie przekracza­jącej jednego mikrona. Przyjmują, podobnie jak bakterie kształty od kulistego poprzez pa­łeczko waty do tak niezwykłych jak trójkąt czy prostokąt.

Podobnie jak typowe bakterie, Ar­chae nie posiadają jądra komórkowego, a ich DNA tworzy pojedynczą pętlę. Budowa tRNA (ang. transfer RNA) jest odmienna od znajdo­wanego w świecie eubakterii. Niektóre frag­menty bardziej przypominają ludzkie RNA niż bakteryjne, co może sugerować bliskie powią­zania pomiędzy Archae, a organizmami eukariotycznymi.

Klasyfikacja bakterii

Klasyfikacja bakterii właściwych uwzględnia następujące kryteria: kształt (pałeczki, ziarenkowce, przecinkowce, krętki); zdolność do formowania sporów (form przetrwalnikowych); sposób wytwarzania energii (glikoliza dla bakterii beztlenowych, oddychanie komórkowe dla bakterii tlenowych); wymagania odżywcze; reakcja na barwienie metodą Gra­ma. Większość bakterii posiada bardzo małe rozmiary rzędu kilku mikrometrów (10′⁶m). Wyjątkiem od tej reguły jest niedawno odkry­ta ogromna bakteria, której długość wynosi 3/4 mm. Są to rozmiary 100-krotnie większe od przeciętnych spotykanych u innych bakte­rii. Bakteria ta została nazwana Thiomargarita namibiensis, co oznacza perły siarkowe Nami­bii. Miejsce, w którym została znaleziona (osa­dy na dnie morza u wybrzeży Namibii), jest bogate w pożywienie, ale niesprzyjające dla większości żywych organizmów. Dwa czynni­ki: brak tlenu i wysokie stężenie siarkowodoru, zabójczego dla większości zwierząt, charakte­ryzują to ekstremalne środowisko. Thiomarga­rita rośnie używając azotanów z wody morskiej do utleniania siarkowodoru. W efekcie tej re­akcji powstają odbijające światło białe gra­nulki siarki składowane wewnątrz komórki bakteryjnej. Połączone w łańcuch pojedyncze komórki bakteryjne dają wrażenie naszyjnika z pereł.

Formy morfologiczne bakterii

Kształty kolonii bakteryjnych

Morfologiczny kształt komórek bak­teryjnych pozwala podzielić je na formy ku­liste (ziarenkowce), cylindryczne (pałeczki lub laseczki) i spiralne (przecinkowce lub krętki). Prócz typowego dla danego gatunku drobnoustroju kształtu komórki bakteryjnej, można jeszcze wyodrębnić, jako podstawową ce­chę gatunkową bakterii, układ komórek bak­teryjnych, czyli wzajemne, charakterystyczne dla danego gatunku ułożenie komórek wzglę­dem siebie. Pozwala to na wyodrębnienie ich spośród podobnych do siebie kształtem drobnoustrojów. Skupiska komórek bakteryjnych wyrosłych na powierzchni lub w głębi podłoży noszą nazwę kolonii. Wygląd kolonii bakteryj­nej jest charakterystyczny dla poszczególnych gatunków bakterii.

Odwiedzający wpisali takie problemy: